CN110348151A - 风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法及装置。所述方法包括：在ANSYS软件中对塔筒、塔筒法兰及连接螺栓分别进行建模，并对连接螺栓施加相应的载荷；求解在施加载荷下，塔筒截面弯矩与螺栓应力的分段线性插值函数；根据所述分段线性插值函数，求解螺栓在预定的载荷时间序列下，每个截面上的最大疲劳损伤。本发明提供的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法及装置能够以较低的计算代价获得精确的连接螺栓的最大疲劳损伤。

Description

风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法及装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风电机组塔筒法兰连 接螺栓设计方法及装置。

背景技术

目前我们设计风力发电机组塔筒法兰连接螺栓都是采用工程算法与经 验相结合的办法，在进行此种工程计算时，需要对一些几何参数近似估计， 而各部件之间的力的作用关系也是依赖理想的抽象数学模型。这就会产生 很大的不确定性，大大降低结构的可靠性。因此，为解决上述问题，需要 建立新的数值模拟方法计算螺栓的应力，使得工程人员不再只依靠理论公 式，将风力发电机组塔筒法兰连接螺栓的不确定性降至最低。

而目前采用有限元计算塔筒法兰连接螺栓的方法都是先进行评估，然 后通过SOLI DWORKS生成三维模型，然后导出至ANSYS，接着进行有限元的 建模和分析。如果计算一次通过，此种方法没有明显的不足。但是，如果 经过多次计算，结果仍然不能够满足设计的需求。就需要频繁地更改结构 的几何尺寸，频繁地生成三维模型，并导出模型，再投入计算。这会耗费 大量的时间与精力，严重影响项目的推进。同时，在繁琐的重复中，会导 致操作人员的失误增加，增加结构失效的可能性。所以，现在急需一种高 效的有限元数值模拟方法，以弥补上述方法的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种风电机组塔筒法兰连接螺栓设计 方法及装置，从而以较低的计算代价获得精确的连接螺栓的最大疲劳损伤。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种风电机组塔筒法兰连接螺栓 设计方法，所述方法包括：在ANSYS软件中对塔筒、塔筒法兰及连接螺栓 分别进行建模，并对连接螺栓施加相应的载荷；求解在施加载荷下，塔筒 截面弯矩与螺栓应力的分段线性插值函数；根据所述分段线性插值函数， 求解螺栓在预定的载荷时间序列下，每个截面上的最大疲劳损伤。

在一些实施方式中，在求解在施加载荷下，塔筒截面弯矩与螺栓应力 的分段线性插值函数之后，根据所述分段线性插值函数，求解螺栓在预定 的载荷时间序列下，每个截面上的最大疲劳损伤之前，还包括：利用APDL 语言，将所有螺栓在应力敏感位置的应力提取出来；将螺栓的应力导出至 MATLAB进行数据分析，求出最大应力幅值，代入到极限应力的求解公式， 求出螺栓的极限应力。

在一些实施方式中，所述极限应力的求解公式如下：

其中，Z代表极限应力，M_b,h代表在法兰位置的最大M_X,Y力矩，F_Z,h代 表在法兰位置未因数化F_Z载荷，R_tower,h代表在法兰位置处的塔筒半径，N_bolts代表连接的螺栓数量，γ_f,favorable代表最优载荷的部分安全因数。

在一些实施方式中，在根据所述分段线性插值函数，求解螺栓在预定 的载荷时间序列下，每个截面上的最大疲劳损伤之后，还包括：将螺栓的 最大疲劳损伤输出至EXCEL表格中，绘制相应的疲劳损伤散点图；结合S-N 曲线，获得螺栓的局部疲劳载荷安全系数。

在一些实施方式中，求解在施加载荷下，塔筒截面弯矩与螺栓应力的 分段线性插值函数，包括：求解在施加载荷下，塔筒截面弯矩与单个螺栓 轴向力的分段线性插值函数；根据塔筒截面弯矩与单个螺栓轴向力的分段 线性插值函数，确定塔筒截面弯矩与螺栓应力的分段线性插值函数。

在一些实施方式中，塔筒截面弯矩与螺栓应力的分段线性插值函数如 下：

其中，σ_bolt代表螺栓应力，A_S代表螺栓应力面积。

在一些实施方式中，根据所述分段线性插值函数，求解螺栓在预定的 载荷时间序列下，每个截面上的最大疲劳损伤，包括：根据外部输入参数， 生成载荷时间序列；将所述载荷时间序列代入所述分段线性插值函数，求 得螺栓每个截面上的最大疲劳损伤。

在一些实施方式中，所述外部输入参数包括：风场等级、湍流系数、 轮毂中心高度。

在一些实施方式中，在ANSYS软件中对塔筒、塔筒法兰及连接螺栓分 别进行建模，包括：基于二维CAD图纸，归纳出建立塔筒法兰连接螺栓三 维模型的点的坐标；在ANSYS经典模块中读取坐标文件，生成关键点，编 辑APDL语言，运用这些关键点生成相应的线、面、体，对体进行网格划分， 在与螺母接触的区域，尽量做到网格匹配，直至生成仅包含实体185单元 的塔筒法兰模型，删除实体特征；在模型中建立连接螺栓，选取的单元是BEAM188，建立用来施加载荷的载荷伞，选取的单元是BEAM188；建立各个 部件之间的接触，选取的单元类型是CONTA174和TARGE170。

此外，本发明还提供了一种风电机组塔筒法兰连接螺栓设计装置，所 述装置包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序， 当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多 个处理器实现根据前文所述的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

本发明提出的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法及装置，使用APDL 语言对风力发电机组塔筒法兰连接螺栓进行参数化建模，考虑了各部件之 间的连接关系，真实反映了螺栓在塔筒截面弯矩作用下的力学性能，给出 了螺栓的极限应力和20年工作期限内的疲劳损伤，为塔筒的法兰设计提供 了可靠的依据，相比工程算法和传统的有限元计算，本方法可靠性高，计 算效率提升明显，对专业的要求不高，即使非专业有限元计算人员，也可在只修改几个参数的前提下，进行计算，充分达到了智能化、精细化的设 计能力。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例提供的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法的流 程图；

图2是本发明实施例提供的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法的流 程图；

图3是本发明实施例提供的塔筒的有限元模型示意图；

图4是本发明实施例提供的塔筒连接结构的示意图；

图5是本发明实施例提供的连接螺栓的空间分布示意图；

图6A是本发明实施例提供的塔筒截面弯矩与螺栓轴向力的分段线性插 值函数；

图6B是本发明实施例提供的塔筒截面弯矩与螺栓应力的分段线性插值 函数；

图7是本发明实施例提供的应力敏感位置的空间分布示意图；

图8是本发明实施例提供的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计装置的结 构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描 述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了一种实施方式中风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法的流 程图。参见图1，风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法包括：

S11，在ANSYS软件中对塔筒、塔筒法兰及连接螺栓分别进行建模，并 对连接螺栓施加相应的载荷。

S12，求解在施加载荷下，塔筒截面弯矩与螺栓应力的分段线性插值函 数。

S13，根据所述分段线性插值函数，求解螺栓在预定的载荷时间序列下， 每个截面上的最大疲劳损伤。

采用分段线性插值函数，充分考虑了螺栓的分段取值特性，使得对塔 筒截面弯矩与螺栓应力之间的函数关系的建模更为精细化，使得对于最大 疲劳损伤的计算更为精细化。

图2示出了另一种实施方式中，风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法 的流程图。参见图2，风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法包括：

S201，基于二维CAD图纸，归纳出建立塔筒法兰连接螺栓三维模型的 点的坐标。

S202，在ANSYS经典模块中读取坐标文件，生成关键点，编辑APDL语 言，运用这些关键点生成相应的线、面、体，对体进行网格划分，在与螺 母接触的区域，尽量做到网格匹配，直至生成仅包含实体185单元的塔筒 法兰模型，删除实体特征。

图3及图4分别示出了塔筒及法兰连接结构的空间模型。

S203，在模型中建立连接螺栓，选取的单元是BEAM188，建立用来施加 载荷的载荷伞，选取的单元是BEAM188。

图5示出了连接螺栓的有限元模型。

S204，建立各个部件之间的接触，选取的单元类型是CONTA174和 TARGE170。

S205，依据相关的螺栓预紧力，对螺栓施加与截面尺寸相对应的预紧 力，施加的位置选取在螺栓光杆部分的几何中心，方向沿螺杆的轴向。

S206，在载荷伞中心处施加一定数值的弯矩，该弯矩的绝对值要大于 该截面位置的最大弯矩。

S207，依据抽象出来的梁单元理论，将法兰看成一根简支梁，求出塔 筒截面弯矩与单个螺栓轴向力的分段线性插值函数，进而获得塔筒截面弯 矩与螺栓应力的分段线性插值函数。

塔筒截面弯矩与单个螺栓轴向力的分段线性插值函数如下：

Z＝0: F′_VS＝F_V

Z＝Z_I: F′_VS＝F_V+p×Z_I

Z＝Z_II: F′_VS＝λ^*×Z_II

Z_arb＞＞Z_II: F′_VS＝λ^*×Z_arb

其中，F′_VS代表螺栓载荷，Z代表螺栓截面载荷，Z_arb代表任意截面载荷， 足够“捕捉”载荷谱。

为了能够确保弯矩均值总是与弯矩被正确、保守的使用，以下要点需 要为连接的“压缩面”而计算：

Z＝-Z_I F′_VS＝F_V+p×(-Z_I)

Z＝-Z_II F′_VS＝2×F_V+λ^*×(-Z_II)

Z_arb＜＜-Z_II F′_VS＝2×F_V+λ^*×Z_arb

其中，用来疲劳分析的非线性关系是弯矩与螺栓应力之间的关系。

螺栓应力按照如下公式计算：

其中，σ_bolt代表螺栓应力，A_S代表螺栓应力面积。

承载了大小等于F′_VS的载荷的塔筒中的弯矩按照如下公式计算：

其中，M_b,h代表在法兰位置的最大M_X,Y力矩；R_tower,h代表在法兰位置的 塔筒半径；N_bolts代表连接中螺栓数量。

图6A示出了通过上述过程计算得到的塔筒截面弯矩与螺栓轴向力的分 段线性插值函数；图6B示出了通过上述过程计算得到的塔筒截面弯矩与螺 栓应力的分段线性插值函数。

S208，凭借APDL语言，将所有螺栓在应力敏感位置的应力提取出来。

S209，将螺栓的应力导出至MATLAB进行数据分析，求出最大应力幅值， 代入到极限应力的求解公式，求出螺栓的极限应力。

贡献了每个螺栓的螺栓应力的壁载荷按照如下公式计算：

其中，M_b,h代表在法兰位置的最大M_X,Y力矩；F_Z,h代表在法兰位置未因 数化F_Z载荷；R_tower,h代表在法兰位置处的塔筒半径；N_bolts代表连接的螺栓数 量；γ_f,favorable代表最优载荷的部分安全因数。

应该注意，Z代表最高螺栓载荷下的壁载荷，也就是极限载荷。计算极 限载荷的意义在于，在后续计算最大疲劳损伤过程中，极限载荷给出了对 分段线性插值函数的取值范围。

S210，根据风场等级、湍流系数、轮毂中心高度等外部输入参数，基 于BLADED载荷生成软件，输出风力发电机组在一年中的载荷时间序列。

S211，将载荷时间序列输入MATLAB,与已有的螺栓应力进行一定的数据 后处理，找出这一组螺栓中每个截面上最大疲劳损伤，乘以20，得到该组 螺栓在20年中的最大疲劳损伤。

求取上述每个截面上最大疲劳损伤的过程是分段线性插值函数的应用 过程。

S212，将螺栓的最大疲劳损伤输出至EXCEl表格中，绘制相应的疲劳 损伤散点图。

S213，结合GL2010风力机认证规范中的S-N曲线，获得螺栓的局部疲 劳载荷安全系数。

为了对螺栓的全面疲劳分析，对螺栓圆周上各个点的疲劳损伤进行评 估十分必要。选取的螺栓在其圆周上每隔30而被评估。应力在GH Bladed 中每隔时间间隔t通过如下公式计算：

σ(β,t)＝σ_axial(t)+σ_{bending_1}(t)·cosβ+σ_{bending_2}(t)·sinβ

其中，β＝[0°,30°,60°,…,330°]，σ_axial(t)，σ_{bending_1}(t)及σ_{bending_2}(t)全部为预先计算的量。其中，σ_axial(t)为由预紧力和轴向力产生，σ_{bending_1}(t)为由力矩M_X产 生的，σ_{bending_2}(t)为由力矩M_Y产生的。

图8示出了本发明风电机组塔筒法兰连接螺栓设计装置的结构图。参 见图8，风电机组塔筒法兰连接螺栓设计装置包括：中央处理单元(CPU) 801，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的程序或者从存储部分808 加载到随机访问存储器(RAM)803中的程序而执行各种适当的动作和处理。 在RAM 803中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU801、ROM 802 以及RAM 803通过总线804彼此相连。输入/输出(I/O)接口805也连接 至总线804。

以下部件连接至I/O接口805：包括键盘、鼠标等的输入部分806；包 括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分 807；包括硬盘等的存储部分808；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的 网络接口卡的通信部分809。通信部分809经由诸如因特网的网络执行通信 处理。驱动器810也根据需要连接至I/O接口805。可拆卸介质811，诸如 磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器810上， 以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分808。

特别的，根据本发明实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现 为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其 包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行 流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通 过通信部分809从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质811被安装。 在该计算机程序被中央处理单元(CPU)801执行时，执行本发明的方法中 限定的上述功能。需要说明的是，本发明的计算机可读介质可以是计算机 可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意结合。计算 机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、 或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介 质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便 携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可 擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储 器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在 本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质， 该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者结合使用。而在本发 明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播 的数据信号，其中承载了计算可读的程序代码。这种传播的数据信号可以 采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。 计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可 读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、 装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程 序代码可以用任何恰当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、 RF等等，或者上述的任意合适的组合。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法 和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程 图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该 模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能 的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的 功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连的表示的 方框实际上可以基本并行的执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这 依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以 及框图和或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用 的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实 现。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式 上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、 等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法，其特征在于，包括：

在ANSYS软件中对塔筒、塔筒法兰及连接螺栓分别进行建模，并对连接螺栓施加相应的载荷；

求解在施加载荷下，塔筒截面弯矩与螺栓应力的分段线性插值函数；

根据所述分段线性插值函数，求解螺栓在预定的载荷时间序列下，每个截面上的最大疲劳损伤。

2.根据权利要求1所述的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法，其特征在于，在求解在施加载荷下，塔筒截面弯矩与螺栓应力的分段线性插值函数之后，根据所述分段线性插值函数，求解螺栓在预定的载荷时间序列下，每个截面上的最大疲劳损伤之前，还包括：

利用APDL语言，将所有螺栓在应力敏感位置的应力提取出来；

将螺栓的应力导出至MATLAB进行数据分析，求出最大应力幅值，代入到极限应力的求解公式，求出螺栓的极限应力。

3.根据权利要求2所述的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法，其特征在于，所述极限应力的求解公式如下：

其中，Z代表极限应力，M_b,h代表在法兰位置的最大M_X,Y力矩，F_Z,h代表在法兰位置未因数化F_Z载荷，R_tower,h代表在法兰位置处的塔筒半径，N_bolts代表连接的螺栓数量，γ_f,favorable代表最优载荷的部分安全因数。

4.根据权利要求1所述的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法，其特征在于，在根据所述分段线性插值函数，求解螺栓在预定的载荷时间序列下，每个截面上的最大疲劳损伤之后，还包括：

将螺栓的最大疲劳损伤输出至EXCEL表格中，绘制相应的疲劳损伤散点图；

结合S-N曲线，获得螺栓的局部疲劳载荷安全系数。

5.根据权利要求1所述的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法，其特征在于，求解在施加载荷下，塔筒截面弯矩与螺栓应力的分段线性插值函数，包括：

求解在施加载荷下，塔筒截面弯矩与单个螺栓轴向力的分段线性插值函数；

根据塔筒截面弯矩与单个螺栓轴向力的分段线性插值函数，确定塔筒截面弯矩与螺栓应力的分段线性插值函数。

6.根据权利要求5所述的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法，其特征在于，塔筒截面弯矩与螺栓应力的分段线性插值函数如下：

其中，σ_bolt代表螺栓应力，A_S代表螺栓应力面积。

7.根据权利要求1所述的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法，其特征在于，根据所述分段线性插值函数，求解螺栓在预定的载荷时间序列下，每个截面上的最大疲劳损伤，包括：

根据外部输入参数，生成载荷时间序列；

将所述载荷时间序列代入所述分段线性插值函数，求得螺栓每个截面上的最大疲劳损伤。

8.根据权利要求7所述的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法，其特征在于，所述外部输入参数包括：风场等级、湍流系数、轮毂中心高度。

9.根据权利要求1所述的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法，其特征在于，在ANSYS软件中对塔筒、塔筒法兰及连接螺栓分别进行建模，包括：

基于二维CAD图纸，归纳出建立塔筒法兰连接螺栓三维模型的点的坐标；

在ANSYS经典模块中读取坐标文件，生成关键点，编辑APDL语言，运用这些关键点生成相应的线、面、体，对体进行网格划分，在与螺母接触的区域，尽量做到网格匹配，直至生成仅包含实体185单元的塔筒法兰模型，删除实体特征；

在模型中建立连接螺栓，选取的单元是BEAM188，建立用来施加载荷的载荷伞，选取的单元是BEAM188；

建立各个部件之间的接触，选取的单元类型是CONTA174和TARGE170。

10.一种风电机组塔筒法兰连接螺栓设计装置，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至9任意一项所述的风电机组塔筒法兰连接螺栓设计方法。