CN109902342B - 一种风机基础环底法兰焊缝极限强度校核方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风机基础环底法兰焊缝极限强度校核方法与装置，属于风力发电技术领域，通过建立底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷与主导外载荷之间的关系，进而计算在该主导外载荷作用下底法兰焊缝位置的极限应力，将该极限应力与底法兰焊缝许用应力进行比较，以实现基础环底法兰焊缝的极限强度的校核。相对于现有技术，通过本发明的校核方法与装置得到的底法兰焊缝位置的极限应力准确度更高，计算速度快、效率高，符合基础环底法兰焊缝的实际受力情况，能够实现风机基础环底法兰焊缝极限强度的准确校核。

Description

一种风机基础环底法兰焊缝极限强度校核方法与装置

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风机基础环底法兰焊缝极限强度校核方法与装置。

背景技术

风力发电机组基础环作为一些地基的主要组成部分，主要用来支撑整个风电机组，正常工作状态下基础环主要承受塔筒传递的外载荷，基础环的相关强度是否满足设计要求关系到整个机组的安全，因此需要对基础环的相关强度进行计算。

现有技术中，公布号为CN109033496A的中国专利申请公开了一种焊接结构的分析方法，该方法通过对焊接结构的三维模型进行有限元网格划分，从焊接结构计算数据库加载各个焊接接头模型的焊接结果数据，再对焊接结构的三维模型进行强度和疲劳分析。上述方法的缺点在于计算周期较长，同时在忽略焊缝形态的情况下焊缝位置容易产生应力奇异现象(应力奇异现象产生于几何模型中的尖角问题，如角接焊缝、错边，或开孔接管等，如果用尖角模拟，焊缝分析时忽略焊缝形态，实际结构采用弹性分析方法，往往得不到收敛结果，也就是应力奇异现象)。对于焊缝来说，产生应力奇异现象的主要原因是焊缝位置的应力主要是由薄膜应力、弯曲应力以及峰值应力组合而成，随着有限元网格密度增加，忽略焊缝形态后尖角位置的薄膜应力和弯曲应力逐渐收敛，峰值应力则发散，造成最终焊缝极限强度的计算结果不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种风机基础环底法兰焊缝极限强度校核方法与装置，用于解决采用现有技术计算风机基础环底法兰焊缝的极限强度造成计算周期长、计算结果不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种风机基础环底法兰焊缝极限强度校核方法，包括以下步骤：

1)根据底法兰的几何参数计算底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量，根据主导外载荷、底法兰的单位弧长和所述抗弯截面模量计算底法兰在单位弧长上所承受的压力，根据底法兰的单侧法兰边缘距离基础环筒壁的长度和所述压力计算底法兰的单侧法兰所承受的合力，根据该合力及其作用点距离焊缝位置的长度计算得到焊缝位置所承受的合力距，所述合力距为底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷；

2)根据底法兰的高度和单位弧长，计算底法兰焊缝位置的抗弯截面模量，再结合所述底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷，计算底法兰焊缝位置的极限应力；

3)将计算得到的底法兰焊缝位置的极限应力与许用应力进行比较，以校核底法兰焊缝极限强度。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种风机基础环底法兰焊缝极限强度校核装置，包括处理器，处理器用于执行指令以实现上述步骤1)、步骤2)和步骤3)。

本发明的校核方法与装置通过建立底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷与主导外载荷之间的关系，进而计算在该外载荷作用下底法兰焊缝位置的极限应力，将该极限应力与底法兰焊缝许用应力进行比较，以实现基础环底法兰焊缝的极限强度的校核。相对于现有技术，通过本发明的校核方法与装置得到的底法兰焊缝位置的极限应力准确度更高，计算速度快、效率高，符合基础环底法兰焊缝的实际受力情况，能够实现风机基础环底法兰焊缝极限强度的准确校核。

为得到底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量，给出如下计算公式：

其中，W_f为所述底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量，D_o为底法兰外径，D_i为底法兰内径。

为得到底法兰在单位弧长上所承受的压力，给出如下计算公式：

其中，q为所述底法兰在单位弧长上所承受的压力，W_f为所述底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量，M_G为所述主导外载荷，b为所述底法兰的单位弧长。

为得到单侧法兰所承受的合力，给出如下计算公式：

其中，Q为所述单侧法兰所承受的合力，M_G为所述主导外载荷，b为所述底法兰的单位弧长，W_f为所述底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量，

为所述单侧法兰边缘距离基础环筒壁的长度，B为底法兰的宽度，t_s为基础环筒体的厚度。

为得到底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷，给出如下计算公式：

其中，M_L为所述底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷，Q为所述单侧法兰所承受的合力，M_G为所述主导外载荷，b为所述底法兰的单位弧长，W_f为所述底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量，

为所述单侧法兰边缘距离基础环筒壁的长度，B为底法兰的宽度，t_s为基础环筒体的厚度，/>

为所述合力的作用点距离焊缝位置的长度。/>

为得到底法兰焊缝位置的抗弯截面模量，给出如下计算公式：

其中，W_b为所述底法兰焊缝位置的抗弯截面模量，b为所述底法兰的单位弧长，t_f为底法兰的高度。

附图说明

图1为现有技术中的基础环示意图；

图2为现有技术中的基础环剖面图；

图3为现有技术中的基础环底法兰焊缝示意图；

图4-1为本发明设置的基础环底法兰焊缝受力分析示意图；

图4-2为本发明设置的基础环底法兰的单位弧长示意图；

图5为本发明的风机基础环底法兰焊缝极限强度校核方法流程图；

图6为本发明的底法兰在极限工况下所承受的载荷分量示意图；

附图的标号说明如下：

1-基础环顶法兰；2-基础环钢筋孔；3-基础环底法兰；4-基础环底法兰焊缝；5-基础环筒体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

校核方法实施例：

现有技术中风机的基础环总体模型示意图和基础环剖面图分别如图1、图2所示，包括基础环顶法兰1、基础环钢筋孔2、基础环底法兰3和基础环筒体5，基础环底法兰焊缝4如图3所示，本发明的目的就是针对基础环底法兰焊缝4进行极限强度校核(由于本实施例主要针对的是一种方法，而非结构，因此下述内容不再对基础环各部件进行标号)。基于此，本发明提出一种风机基础环底法兰焊缝极限强度校核方法，具体的实现步骤如下：

1、通过对基础环底法兰焊缝进行受力分析，获得单位底法兰焊缝位置所承受的极限外载荷。

具体的，基础环底法兰焊缝(简称底法兰焊缝)的受力分析示意图如图4-1所示，本实施例根据图4-1具体介绍基础环底法兰焊缝进行受力分析计算外载荷的流程如下：

(1)为了便于对底法兰焊缝进行受力分析，简化底法兰焊缝受力模型，忽略底法兰焊缝形态对其受力的影响，首先根据底法兰几何参数计算底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量。

底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量如下：

其中，W_f为底法兰与混凝土接触位置的抗弯截面模量，D_o为底法兰外径，D_i为底法兰内径。

(2)将底法兰在圆周方向上进行有限数量的均匀切分，设切分后底法兰的单位弧长为b(如图4-2所示)，设切分后的底法兰在单位弧长上所承受的压力为均匀分布，将该压力称为均布压力，则根据主导外载荷M_G及步骤(1)计算得到的底法兰与混凝土接触位置的抗弯截面模量，可计算得到底法兰在单位弧长上所承受的均布压力。

底法兰在单位弧长上所承受的均布压力如下：

其中，q为单位底法兰上所承受的均布压力，M_G为主导外载荷，b为底法兰的单位弧长，W_f为底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量。

主导外载荷是通过风机载荷仿真计算软件(GH Bladed)得到的底法兰在极限工况下所承受的载荷，该载荷由6个载荷分量组成，分别为Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz，如图6所示，其中，Mx表示基础环在x轴方向承受的弯矩，My表示基础环在y轴方向承受的弯矩，Mz表示基础环在z轴方向承受的转矩，Fx表示基础环在x轴方向承受的力，Fy表示基础环在y轴方向承受的力，Fz表示基础环在z轴方向承受的力。由于底法兰受弯矩的载荷影响较大，因此，主导外载荷M_G采用如下计算公式：

M_G＝(Mx^2+My^2)^0.5

图4-1中，由于主导外载荷M_G为一个弯矩，箭头表示弯矩作用下底法兰的受力方向，虚线l1表示T型法兰剖面的对称中心线，虚线l2表示底法兰的中心线，在主导外载荷下箭头位置虚线l1的左侧部分表示底法兰受拉，虚线l1的右侧部分表示底法兰受压。

(3)如图4-1所示，将底法兰的截面简化为悬臂梁结构，其中底法兰焊缝位置为悬臂梁的固定端，底法兰与基础环筒体接触位置为受力端，则根据步骤(2)计算得到的底法兰在单位弧长上所承受的均布压力及单侧法兰边缘距离基础环筒壁的长度，可计算得到简化后的悬臂梁所承受的合力，即底法兰的单侧法兰所承受的合力。

底法兰的单侧法兰所承受的合力如下：

其中，Q为单侧法兰所承受的合力，M_G为主导外载荷，

为单侧法兰边缘距离基础环筒壁的长度，B为底法兰的宽度，t_s为基础环筒体的厚度。

(4)根据步骤(3)计算得到的底法兰的单侧法兰所承受的合力及该合力的作用点距离焊缝位置的长度，计算得到焊缝位置所承受的合力距，该合力距即为底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷。

底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷：

其中，M_L为底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷，Q为单侧法兰所承受的合力，

为上述合力的作用点距离焊缝位置的长度。

2、根据底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷计算底法兰焊缝位置的极限应力。

首先，计算简化后的悬臂梁固定端位置的抗弯截面模量，即底法兰焊缝位置的抗弯截面模量，如下：

其中，W_b为底法兰焊缝位置的抗弯截面模量，t_f为底法兰的高度。

其次，将底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷除以底法兰焊缝位置的抗弯截面模量，即得到底法兰焊缝位置的极限应力：

其中，σ_L为底法兰焊缝位置的极限应力。

3、将计算得到的底法兰焊缝位置的极限应力与许用应力进行比较，以校核底法兰焊缝极限强度。

具体的，根据GL2010规范，在进行底法兰焊缝极限强度评估时应考虑材料安全系数γ_m的影响，设底法兰焊缝位置材料的屈服强度为σ_s，则底法兰焊缝位置的许用应力[σ]为：

若σ_L<[σ]，则基础环底法兰焊缝能够满足极限强度设计要求，反之，则不满足极限强度设计要求。或者，通过计算底法兰焊缝极限强度判断是否满足极限强度设计要求，底法兰焊缝极限强度为σ_L与[σ]的比值，当该比值小于1，判定基础环底法兰焊缝能够满足极限强度设计要求，当该比值不小于1，判定不满足极限强度设计要求。

本发明首先通过对风机基础环底法兰焊缝进行受力分析，获得底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷与主导外载荷之间的关系，进而计算极限外载荷作用工况下底法兰焊缝位置的极限应力，将该极限应力与底法兰焊缝许用应力进行比较，以校核基础环底法兰焊缝的极限强度，如图5所示。通过上述方法，本发明得到的基础环底法兰焊缝极限应力值准确度更高，符合基础环底法兰焊缝的实际受力关系，能够实现风机基础环底法兰焊缝极限强度的准确校核。

本发明在忽略焊缝形态的情况下，对底法兰焊缝的受力进行了分析，推导出了焊缝位置所承受的极限外载荷，进而计算得到焊缝位置所承受的应力(即σ_L)，避免了采用有限元方法计算时由于焊缝位置的尖角造成的应力奇异现象。

校核装置实施例：

本实施例提出的风机基础环底法兰焊缝极限强度校核装置，包括处理器，处理器用于执行指令以实现校核方法实施例的步骤1中单位底法兰焊缝位置所承受的极限外载荷的计算，步骤2中焊缝位置的极限应力的计算，和步骤3中底法兰焊缝极限强度的校核。

另外，本实施例中的处理器既可以是计算机，也可以是微处理器，如ARM等，还可以是可编程芯片，如FPGA、DSP等。

上述实施例中所指的风机基础环底法兰焊缝极限强度校核装置，实际上是基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，可以应用到处理器中，上述装置即为与方法流程相对应的处理进程。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故不再详细进行描述。

Claims (2)

1.一种风机基础环底法兰焊缝极限强度校核方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据底法兰的几何参数计算底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量，根据主导外载荷、底法兰的单位弧长和所述抗弯截面模量计算底法兰在单位弧长上所承受的压力，根据底法兰的单侧法兰边缘距离基础环筒壁的长度和所述压力计算底法兰的单侧法兰所承受的合力，根据该合力及其作用点距离焊缝位置的长度计算得到焊缝位置所承受的合力矩，所述合力矩为底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷；

所述底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量如下：

其中，W_f为所述底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量，D_o为底法兰外径，D_i为底法兰内径；

所述底法兰在单位弧长上所承受的压力如下：

其中，q为所述底法兰在单位弧长上所承受的压力，W_f为所述底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量，M_G为所述主导外载荷，b为所述底法兰的单位弧长；

所述单侧法兰所承受的合力如下：

其中，Q为所述单侧法兰所承受的合力，M_G为所述主导外载荷，b为所述底法兰的单位弧长，W_f为所述底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量，

为所述单侧法兰边缘距离基础环筒壁的长度，B为底法兰的宽度，t_s为基础环筒体的厚度；

所述底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷如下：

其中，M_L为所述底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷，Q为所述单侧法兰所承受的合力，M_G为所述主导外载荷，b为所述底法兰的单位弧长，W_f为所述底法兰与基础环筒体接触位置的抗弯截面模量，

为所述单侧法兰边缘距离基础环筒壁的长度，B为底法兰的宽度，t_s为基础环筒体的厚度，/>

为所述合力的作用点距离焊缝位置的长度；

2)根据底法兰的高度和单位弧长，计算底法兰焊缝位置的抗弯截面模量，再结合所述底法兰在单位弧长上的焊缝位置所承受的极限外载荷，计算底法兰焊缝位置的极限应力；所述底法兰焊缝位置的抗弯截面模量如下：

其中，W_b为所述底法兰焊缝位置的抗弯截面模量，b为所述底法兰的单位弧长，t_f为底法兰的高度；

3)将计算得到的底法兰焊缝位置的极限应力与许用应力进行比较，以校核底法兰焊缝极限强度。

2.一种风机基础环底法兰焊缝极限强度校核装置，其特征在于，包括处理器，处理器用于执行指令以实现如权利要求1所述的风机基础环底法兰焊缝极限强度校核方法。

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