CN110321599A - 一种t型法兰地锚螺栓疲劳强度校核方法、装置及介质 - Google Patents

一种t型法兰地锚螺栓疲劳强度校核方法、装置及介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核方法、装置及介质，方法包括以下步骤：1)基于地锚螺栓与混凝土地基建立由弹簧和弹性体组成的力学模型；2)计算各弹性体的总刚度与弹簧的相对刚度；3)计算外载荷与地锚螺栓受力之间的关系；4)根据所述外载荷与地锚螺栓受力之间的关系计算地锚螺栓的疲劳载荷谱；5)根据地锚螺栓的疲劳载荷谱以及地锚螺栓S/N曲线计算地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数；6)将所述地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数与疲劳损伤许用值1作比较，实现对地锚螺栓疲劳强度的校核。本发明简化了T型法兰地锚螺栓与地基的连接模型，计算简单，适用范围广。

Description

一种T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核方法、装置及介质
技术领域
本发明涉及一种T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核方法、装置及介质，属于风力发电领域。
背景技术
现在大型风力发电机组塔架底部同风机基础的连接方式为L型法兰直接连接基础环，或T型法兰直接与基础混凝土或者基础环相连。L型法兰与基础环连接是可行的，但其与混凝土相互连接已经被证明是存在安全隐患的。T型法兰既可以同基础环相连也可以同混凝土相连。由于T型法兰同混凝土相连更具有经济优势，也是未来风机基础连接方案的发展方向，故T型法兰越来越多的应用于塔架底部与风机基础之间的连接。此时地锚螺栓的疲劳强度与整个风力发电机机组的寿命密切相关。
目前对T型法兰的单独分析很少，公布号为CN 106570326 A的中国专利申请文件公开了一种L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算方法及装置，该方法仅限于解决L型法兰连接螺栓的疲劳强度校核问题，未涉及T型法兰地锚螺栓的疲劳强度计算。缺乏对T型法兰地锚螺栓强度的评估使得风电机组的安全性无法得到评估和保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法、装置及介质，用以解决采用T型法兰地锚螺栓的风电机组塔架的安全性无法评估的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法，包括以下步骤：
1)基于地锚螺栓与混凝土地基建立力学模型；T型法兰和上锚板简化为第一弹性体力学模型、下锚板简化为第二弹性体力学模型、垫圈等效为第三弹性体力学模型、地锚螺栓简化为弹簧力学模型，混凝土分为上侧混凝土和下侧混凝土，上侧混凝土简化为第四弹性体力学模型、下侧混凝土简化为第五弹性体力学模型；
2)根据各弹性体及弹簧力学模型的相对刚度计算外载荷与地锚螺栓受力之间的关系；
3)根据所述外载荷与地锚螺栓受力之间的关系计算地锚螺栓的疲劳载荷谱；
4)根据地锚螺栓的疲劳载荷谱以及地锚螺栓S/N曲线计算地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数；
5)将所述地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数与疲劳损伤许用值1作比较，实现对地锚螺栓疲劳强度的校核。
本发明简化了T型法兰地锚螺栓与地基的连接模型，通过刚度与相对刚度得出外载荷与地锚螺栓受力之间的关系，进而得出地锚螺栓的疲劳载荷谱，再得出地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数，最终实现对地锚螺栓疲劳强度的校核。过程简单实现了对风机塔架T型法兰地锚螺栓疲劳强度的准确校核，适用范围广。
简化后的弹性体和弹簧模型，既便于计算，又能准确的反应出结构之间的力学关系。
进一步的，所述步骤1)根据Petersen及VDI2203规范的方法建立弹性体力学模型。
Petersen及VDI2203规范的方法能够将T型法兰地锚螺栓与地基的连接关系比较真实的简化为力学模型。
进一步的，所述步骤2)是根据Petersen及VDI2203规范的方法及各弹性体的串并联关系计算得到弹性体的总刚度与弹簧的相对刚度。
根据Petersen及VDI2203规范的方法计算得到的地锚螺栓刚度和弹性体总刚度准确可靠。
进一步的，步骤3)是根据Petersen及VDI2203规范的方法及疲劳极限载荷与地锚螺栓预紧力得到外载荷与地锚螺栓受力之间的两段线关系。
根据Petersen及VDI2203规范的方法计算得到的外载荷与地锚螺栓受力之间的两段线关系准确可靠。
进一步的，所述步骤4)是利用Blade软件根据外载荷与地锚螺栓受力之间的两段线关系及疲劳外载荷谱得到疲劳载荷谱。
基于两段线关系得到地锚螺栓的疲劳载荷谱过程简单易于计算。
进一步的，所述步骤5)是利用Fesafe软件根据疲劳载荷谱中获得的疲劳载荷对应的循环次数，以及地锚螺栓S/N曲线得到地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数。
疲劳载荷对应的循环次数结合地锚螺栓S/N曲线获得地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数过程简单，实用性强。
本发明的一种装置，包括处理器，所述处理器用于执行指令以实现上述的T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法。
本发明的装置简化了T型法兰地锚螺栓与地基的连接模型，通过刚度与相对刚度得出外载荷与地锚螺栓受力之间的关系，进而得出地锚螺栓的疲劳载荷谱，再得出地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数，最终实现对地锚螺栓疲劳强度的校核。过程简单实现了对风机塔架T型法兰地锚螺栓疲劳强度的准确校核，适用范围广。
本发明的一种计算机存储介质，所述计算机存储介质储存有T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法的程序，所述T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法的程序被至少一个处理器执行时实现上述的T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法。
本发明的计算机储存介质简化了T型法兰地锚螺栓与地基的连接模型，通过刚度与相对刚度得出外载荷与地锚螺栓受力之间的关系，进而得出地锚螺栓的疲劳载荷谱，再得出地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数，最终实现对地锚螺栓疲劳强度的校核。过程简单实现了对风机塔架T型法兰地锚螺栓疲劳强度的准确校核，适用范围广。
附图说明
图1是本发明的T型法兰地锚螺栓尺寸参数示意图；
图2是本发明的T型法兰地锚螺栓与地基连接力学模型简化示意图；
图3是本发明的T型法兰地锚螺栓与地基上侧力学模型简化示意图；
图4是本发明的T型法兰地锚螺栓与地基下侧力学模型简化示意图；
图5是本发明T型法兰地锚螺栓疲劳损伤计算流程图；
图6是本发明的T型法兰地锚螺栓拉力与筒壁载荷之间的函数关系。
图1和图2中包括，1、上螺母；2、上垫圈；3、T型法兰；4、上锚板；5、地基；6、螺栓；7、下锚板；8、下垫圈；9、下螺母。
具体实施方式
如图5所示，本发明首先根据Petersen方法与VDI2230规范，对T型法兰地锚螺栓与地基连接模型进行力学模型简化，再根据该力学模型中弹簧与各弹性体受载变形原理，计算得到地锚螺栓刚度、法兰+上锚板刚度、下锚板刚度、垫圈刚度及混凝土地基刚度，接着根据各弹性体之间的串联关系计算得到混凝土地基的总刚度及其与地锚螺栓的相对刚度，其次根据相关刚度及疲劳极限载荷与地锚螺栓预紧力，推导出外载荷与地锚螺栓受力之间的两段线关系，然后按照两段线关系利用Blade软件通道合并将疲劳外载荷谱转化为地锚螺栓的疲劳载荷谱，最后根据地锚螺栓疲劳载荷对应的循环次数以及地锚螺栓S/N曲线，利用Fesafe软件计算地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数，并将其损伤与疲劳损伤许用值1作比较，从而实现对地锚螺栓疲劳强度的校核。
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核计算方法的实施例：
本实施例以某风机塔筒T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的方法为例对此进行具体说明，T型法兰地锚螺栓结构如图1所示，包括上螺母1，上垫圈2，T型法兰3，上锚板4，地基5，螺栓6，下锚板7，下垫圈8和下螺母9。T型法兰3通过螺栓6和上螺母1、下螺母9与地基固定，上垫圈2设置在上螺母1和T型法兰3接触的地方，以避免螺母与法兰直接接触而损害法兰，上锚板4、下锚板7分别设置在T型法兰3与地基5及地基5与下螺母9之间的地方，用于避免地基不平引起塔筒乃至整个机组倾斜。该风机塔筒T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核计算的流程如图3所示，具体实施步骤如下。
1、T型法兰地锚螺栓与地基连接基本参数确定与力学模型简化。
1)确定T型法兰地锚螺栓与地基连接固定的相关参数。
如图1所示，某风机T型法兰相关参数为：法兰外径dfa＝4663mm；法兰内径dfi＝3855mm；法兰脖外径da＝4300mm；法兰高度tfl＝80mm；法兰脖高度dtfl＝50mm；法兰脖厚度s＝41mm；外圈螺栓分度圆直径dma＝4439mm；内圈螺栓分度圆直径dmi＝4079mm；地锚螺栓公称直径dn＝42mm；螺栓孔直径dh＝45mm；螺栓孔中心距离法兰外径a＝112mm；螺栓孔中心距离筒壁中径b＝90mm；外侧螺栓孔中心距离法兰脖外径距离c＝69.5mm；内外圈螺栓各80个，共有螺栓n＝160个，均匀沿圆周排列；地锚螺栓预紧力Fv0＝501.76kN；上锚板厚度tao＝55mm；下锚板厚度tau＝60mm；垫圈外径Dw＝78mm；垫圈内径dis＝45mm；垫圈厚度tus＝8mm；钢材-钢材弹性体锥角正切值钢材-混凝土弹性体锥角正切值 法兰、地锚螺栓及垫圈弹性模量Est＝2.1×1011(Pa)；混凝土地基弹性模量Emc＝2.88×1010(Pa)；混凝土上侧弹性体高度hco＝1770.7mm；混凝土下侧弹性体高度hcu＝1774.3mm。
2)T型法兰地锚螺栓与地基连接力学模型简化与相关参数计算
根据Petersen方法与VDI2230规范，将T型法兰地锚螺栓与地基连接简化为力学模型，其中地基各弹性体的变形如图2、图3及图4所示，各弹性体刚度计算相关参数计算公式如下所示。
(1)地锚螺栓等效弹簧刚度cs：
根据VDI2230规范可计算地锚螺栓等效弹簧刚度。
(2)T型法兰与上锚板等效刚度cd1：
根据Petersen方法可计算T型法兰与上锚板等效刚度。
其中，E1表示T型法兰与上锚板弹性模量；
h1表示T型法兰与上锚板高度；
r表示螺栓孔半径；
表示T型法兰与上锚板弹性体上端径向方向尺寸；
表示T型法兰与上锚板弹性体上端切向方向尺寸；
表示T型法兰与上锚板弹性体下端径向方向尺寸；
表示T型法兰与上锚板弹性体下端切向方向尺寸；
中间变量：a1，a2，a3；
以上各参数计算公式如下：
E1＝Est；
h1＝tfl+tao；
r＝dh/2；
(3)下锚板等效刚度cd3：
根据Petersen方法可计算下锚板等效刚度。
其中，E3表示下锚板弹性模量；
h3表示下锚板高度；
r表示螺栓孔半径；
表示下锚板弹性体上端径向方向尺寸；
表示下锚板弹性体上端切向方向尺寸；
表示下锚板弹性体下端径向方向尺寸；
表示下锚板弹性体下端切向方向尺寸；
中间变量：a4，a5，a6；
以上各参数计算公式如下：
E3＝Est；
h3＝tau；
r＝dh/2；
(4)计算混凝土地基等效刚度cd2：
根据Petersen方法可计算混凝土地基等效刚度。
a.计算上侧混凝土地基等效刚度cd21：
其中，E2表示上侧混凝土地基弹性模量；
r表示螺栓孔半径；
L1表示上侧混凝土地基弹性体上端径向方向尺寸；
b1表示上侧混凝土地基弹性体上端切向方向尺寸；
L2表示上侧混凝土地基弹性体下端径向方向尺寸；
B1表示上侧混凝土地基弹性体下端切向方向尺寸；
以上各参数计算公式如下：
E2＝Ecm；
r＝dh/2；
b.计算下侧混凝土地基等效刚度cd22：
其中，E2′表示下侧混凝土地基弹性模量；
r表示螺栓孔半径；
L1′表示下侧混凝土地基弹性体上端径向方向尺寸；
b2表示下侧混凝土地基弹性体上端切向方向尺寸；
L2′表示下侧混凝土地基弹性体下端径向方向尺寸；
B2表示下侧混凝土地基弹性体下端切向方向尺寸；
以上各参数计算公式如下：
E2′＝Ecm；
r＝dh/2；
c.计算混凝土地基等效刚度cd2：
根据上下侧混凝土地基弹性体连接关系可计算混凝土地基等效刚度。
(5)垫圈等效刚度cd4：
根据VDI2230规范可计算垫圈等效刚度。
2、计算地锚螺栓及混凝土地基各弹性体的等效刚度。
根据Petersen方法与VDI2230规范可计算地锚螺栓刚度、地基各弹性体的刚度，包含法兰与上锚板等效刚度、下锚板等效刚度、垫圈等效刚度、上侧与下侧混凝土地基等效刚度。
(1)计算地锚螺栓等效弹簧刚度cs：
(2)计算T型法兰与上锚板等效刚度cd1：
T型法兰及上锚板弹性模量：E1＝Est＝2.1×105(MPa)；
T型法兰及上锚板高度：h1＝tfl+tao＝135(mm)；
螺栓孔半径：r＝dh/2＝22.5(mm)；
弹性体上端径向方向尺寸：
弹性体上端切向方向尺寸：
弹性体下端径向方向尺寸：
弹性体下端切向方向尺寸：
中间变量：
T型法兰及上锚板等效刚度cd1：
(3)计算下锚板刚度cd3：
下锚板弹性模量：E3＝Est＝2.1×105(MPa)；
下锚板厚度：h3＝tau＝60(mm)；
螺栓孔半径：r＝dh/2＝22.5(mm)；
弹性体上端径向方向尺寸：
弹性体上端切向方向尺寸：
弹性体下端径向方向尺寸：
弹性体下端切向方向尺寸：
中间变量：
下锚板刚度cd3：
(4)计算混凝土刚度cd2。
a.计算上侧混凝土地基等效刚度cd21：
混凝土弹性模量：E2＝Ecm＝2.88×104(MPa)；
螺栓孔半径：r＝dh/2＝22.5(mm)；
弹性体上端径向方向尺寸：
弹性体上端切向方向尺寸：
弹性体下端径向方向尺寸：
弹性体下端切向方向尺寸：
上侧混凝土地基刚度cd21：
b.计算下侧混凝土地基等效刚度cd22：
混凝土弹性模量：E2′＝Ecm＝2.88×104(MPa)；
螺栓孔半径：r＝dh/2＝22.5(mm)；
弹性体上端径向方向尺寸：
弹性体上端切向方向尺寸：
弹性体下端径向方向尺寸：
弹性体下端切向方向尺寸：
上侧混凝土地基刚度cd22：
c.计算混凝土地基等效刚度Cd2
(5)垫圈等效刚度cd4：
3、计算混凝土地基总等效刚度Cd及其与地锚螺栓的相对刚度p、q、λ。
1)地基总等效刚度cd：
2)计算地锚螺栓与地基总等效刚度cf：
cf＝cs+cd＝7.175×105(N/mm)
3)计算地锚螺栓与混凝土地基的相对刚度。
地锚螺栓的相对刚度p：
混凝土地基的相对刚度q：
4)计算参数λ数值。
根据Petersen方法，λ按照下式进行计算：
4、计算外载荷与地锚螺栓受力之间的函数关系。
本实施例采用Petersen方法进行计算，Petersen方法认为地锚螺栓所受载荷Fs与筒壁载荷Z是两段线关系，具体如下式所示：
以某风机塔筒T型法兰地锚螺栓为例，地锚螺栓所受载荷Fs与筒壁载荷Z之间的两段线函数关系计算流程如下：
1)计算两段线拐点位置处的筒壁载荷及地锚螺栓拉力。
根据Petersen方法，两段线拐点位置处的筒壁载荷按照下式进行计算。
最小预紧力Fvred：
Fvred＝(1-0.09)×Fv0＝4.57×105(N)
考虑到螺栓拧紧时的不准确性，最小预紧力Fvred降低10％作为疲劳预紧力用于螺栓疲劳强度计算，故疲劳预紧力Fv：
Fv＝(1-10％)×Fvred＝4.11×105(N)
拐点位置处的筒壁载荷ZI：
根据Petersen方法提出的地锚螺栓拉力载荷与筒壁载荷之间的两段线函数关系式，可计算拐点位置处的地锚螺栓拉力载荷。
第一个拐点位置处的地锚螺栓拉力载荷FsI：
2)拟合地锚螺栓拉力Fs与筒壁载荷Z之间的两段线函数关系曲线。
根据拐点位置处筒壁载荷及对应的地锚螺栓拉力载荷，参照Petersen两段线函数关系式，可拟合地锚螺栓拉力与筒壁载荷之间的两段线函数关系曲线，如图6所示。
5、计算地锚螺栓的疲劳载荷谱。
按照两段线关系和疲劳外载荷谱计算地锚螺栓的疲劳载荷谱，具体为：在Bladed软件中，根据外载荷与地锚螺栓拉力之间的关系与地锚螺栓的应力面积，将疲劳外载荷谱转换为地锚螺栓的疲劳载荷谱。
6、计算地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数。
根据地锚螺栓疲劳载荷对应的循环次数以及地锚螺栓S/N曲线计算地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数，具体为：将地锚螺栓疲劳载荷与其对应的循环次数导入Fesafe软件，并结合地锚螺栓的S/N曲线，计算地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数，最后将其疲劳损伤与疲劳损伤许用值1作比较，以实现对地锚螺栓疲劳强度的校核。
本发明T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核计算装置的实施例：
本发明的一种装置，包括处理器，处理器执行程序指令能够实现本发明T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核计算方法的步骤，本发明T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核计算方法已在本发明T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核计算方法实施例中介绍清楚，在此不再赘述。
本发明计算机存储介质实施例：
本发明的一种计算机存储介质，储存有实现上述T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核计算方法的程序，实现上述T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核计算方法的程序被至少一个处理器执行时，能够实现本发明T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核计算方法实施例中的方法步骤，具体方法和步骤已在本发明T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核计算方法实施例中介绍清楚，在此不再赘述。
本实施例所称的介质是，存储有计算机程序指令的可编程数据处理设备。例如，可以是集成有存储器的控制器，和/或是其他独立的存储器、内存储器。上述介质还可以是一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)。

Claims (8)

1.一种T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)基于地锚螺栓与混凝土地基建立力学模型；T型法兰和上锚板简化为第一弹性体力学模型、下锚板简化为第二弹性体力学模型、垫圈等效为第三弹性体力学模型、地锚螺栓简化为弹簧力学模型，混凝土分为上侧混凝土和下侧混凝土，上侧混凝土简化为第四弹性体力学模型、下侧混凝土简化为第五弹性体力学模型；
2)根据各弹性体及弹簧力学模型的相对刚度计算外载荷与地锚螺栓受力之间的关系；
3)根据所述外载荷与地锚螺栓受力之间的关系计算地锚螺栓的疲劳载荷谱；
4)根据地锚螺栓的疲劳载荷谱以及地锚螺栓S/N曲线计算地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数；
5)将所述地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数与疲劳损伤许用值1作比较，实现对地锚螺栓疲劳强度的校核。
2.根据权利要求1所述的T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法，其特征在于，所述步骤1)根据Petersen及VDI2203规范的方法建立弹性体力学模型。
3.根据权利要求1所述的T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法，其特征在于，所述步骤2)是根据Petersen及VDI2203规范的方法及各弹性体的串并联关系计算得到弹性体的总刚度与弹簧的相对刚度。
4.根据权利要求1所述的T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法，其特征在于，步骤3)是根据Petersen及VDI2203规范的方法及疲劳极限载荷与地锚螺栓预紧力得到外载荷与地锚螺栓受力之间的两段线关系。
5.根据权利要求4所述的T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法，其特征在于，所述步骤4)是利用Blade软件根据外载荷与地锚螺栓受力之间的两段线关系及疲劳外载荷谱得到疲劳载荷谱。
6.根据权利要求1所述的T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法，其特征在于，所述步骤5)是利用Fesafe软件根据疲劳载荷谱中获得的疲劳载荷对应的循环次数，以及地锚螺栓S/N曲线得到地锚螺栓的疲劳损伤及安全系数。
7.一种装置，包括处理器，其特征在于，所述处理器用于执行指令以实现如权利要求1～6任一项所述的T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法。
8.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质储存有T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法的程序，所述T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法的程序被至少一个处理器执行时实现如权利要求1～6任一项所述的T型法兰地锚螺栓疲劳强度校核的计算方法。
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