CN110874514A - 一种风力发电机组后机架的强度评估方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组后机架的强度评估方法及系统，方法包括：S1.构建风力发电机组的有限元模型，所述有限元模型中，后机架和/或立柱采用壳单元模型；S2.在所述有限元模型中配置施加在所述后机架上载荷边界，所述载荷边界包括重力载荷和惯性载荷；S3.基于所述有限元模型，评估所述风力发电机组后机架的强度。具有可准确反映风力发电机组后机架的载荷情况，从而可以准确的对后机架的强度进行评估，评估结果可靠性高等优点。

Description

一种风力发电机组后机架的强度评估方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电机组后机架评估技术领域，尤其涉及一种风力发电机组后机架的强度评估方法。
背景技术
后机架是风力发电机组的关键机械结构件之一，在风机运行的过程中要承受复杂交变的惯性载荷，因此必须要有足够的强度和刚度，才能保证风机运行的平稳性和可靠性。由于后机架的结构较为复杂，工程算法对此复杂结构的计算精度较低，为了保证高的计算精度，目前在对后机架进行强度和刚度计算时，通常采用有限元法，此方法不仅缩短研发设计周期，提高产品可靠性，且可减少设计成本。但在采用有限元法进行后机架的强度分析时，分析模型边界加载的正确与否，将直接决定了分析结果的准确性。目前针对后机架的计算也有相关的论文，但所发表的论文中虽然提到了后机架的计算方法，但是对后机架受力状态及边界描述不清晰，载荷边界不合理，且均未考虑后机架的刚度设计评估方法及其对风机运行可靠性的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可准确反映风力发电机组后机架的载荷情况，从而可以准确的对后机架的强度进行评估，评估结果可靠性高的风力发电机组后机架的强度评估方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种风力发电机组后机架的强度评估方法，包括如下步骤：
S1.构建风力发电机组的有限元模型，所述有限元模型中，后机架和/或立柱采用壳单元模型；
S2.在所述有限元模型中配置施加在所述后机架上载荷边界，所述载荷边界包括重力载荷和惯性载荷；
S3.基于所述有限元模型，评估所述风力发电机组后机架的强度。
进一步地，步骤S1中，还包括为所述壳单元模型配置厚度、材料属性特征；所述有限元模型中机舱罩、控制柜、散热器、发电机采用质量单元模型。
进一步地，步骤S2中所述重力载荷包括由机舱罩、控制柜、散热器、发电机的重力而产生的重力载荷；所述惯性载荷包括：机舱在塔顶坐标系下沿X坐标轴方向的加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下沿Y坐标轴方向的加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕X坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Y坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Z坐标轴的角加速度载荷。
进一步地，在所述步骤S2中，还包括对所述有限元模型中前机架的底部三个平动方向的自由度设置约束。
进一步地，在所述步骤S2中，还包括对所述有限元模型中前机架和后机架之间设置绑定约束。
进一步地，步骤S3中所述评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架静强度的评估：在所述重力载荷和所述惯性载荷的条件下，分析计算后机架的实际受力状态，并确定后机架的范式等效应力，根据后机架材料的屈服强度来判断所述后机架的静强度是否满足设计要求。
进一步地，步骤S3中所述评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架母材的疲劳强度的评估：将后机架的载荷历程转化为应力历程，并根据应力历程计算母材的疲劳损伤值。
进一步地，步骤S3中所述评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架刚度的评估：根据所述有限元模型，通过模态叠加法计算后机架的各阶频率，当后机架的局部模态频率落于预设的第一频率范围时，判断后机架需要加强；当后机架的整体模态频率落于预设的第二频率范围时，判断后机架需要进行系统优化。
一种风力发电机组后机架的强度评估系统，包括建模子系统和评估子系统；
所述建模子系统用于构建风力发电机组的有限元模型，所述有限元模型中，后机架和/或立柱采用壳单元模型；在所述有限元模型中配置施加在所述后机架上载荷边界，所述载荷边界包括重力载荷和惯性载荷；
所述评估子系统用于基于所述有限元模型，评估所述风力发电机组后机架的强度。
进一步地，所述建模子系统还用于为所述壳单元模型配置厚度、材料属性特征；还用于配置所述有限元模型中机舱罩、控制柜、散热器、发电机为质量单元模型。
进一步地，所述建模子系统配置的重力载荷包括由机舱罩、控制柜、散热器、发电机的重力而产生的重力载荷；
所述建模子系统配置的惯性载荷包括：机舱在塔顶坐标系下沿X坐标轴方向的加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下沿Y坐标轴方向的加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕X坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Y坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Z坐标轴的角加速度载荷。
进一步地，所述建模子系统还用于对所述有限元模型中前机架的底部三个平动方向的自由度设置约束；对所述有限元模型中前机架和后机架之间设置绑定约束。
进一步地，所述评估子系统评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架静强度的评估：在所述重力载荷和所述惯性载荷的条件下，分析计算后机架的实际受力状态，并确定后机架的范式等效应力，根据后机架材料的屈服强度来判断所述后机架的静强度是否满足设计要求。
进一步地，所述评估子系统评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架母材的疲劳强度的评估：对后机架的母材，将后机架的载荷历程转化为应力历程，并根据应力历程计算母材的疲劳损伤值。
进一步地，所述评估子系统评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架刚度的评估：具体用于根据所述有限元模型，通过模态叠加法计算后机架的各阶频率，当后机架的局部模态频率落于预设的第一频率范围时，判断后机架需要加强；当后机架的整体模态频率落于预设的第二频率范围时，判断后机架需要进行系统优化。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明在建立风力发电机组有限元模型时，充分考虑了后机架所受到的重力载荷和在塔顶坐标系下的多个维度的平动加速度载荷和角加速度载荷，能够更准确的模拟后机架的实际受力状态，以及准确的模拟后机架强度的结构其及重量，从而对后机架的评估更架准确、可靠；克服了对风力发电机组后机架强度的评估的现有技术中因有限元模型中所使用的载荷均为静止轮毂坐标下的极限载荷，和后机架的实际受力特点有偏差，造成评估结果不准确，可靠性不高的缺陷。
2、本发明对后机架刚度的评估时充分考虑了后机架的频率对风力发电机组的影响，通过对后机架进行模态分析，对后机架的频率从系统的角度进行评估，从而在局部和全局两个维度准确的评判后机架的刚度是否满足风力发电机组设计的要求。
附图说明
图1为本发明具体实施例的流程示意图。
图2为本发明具体实施例风力发电机组结构示意图。
图例说明：1、机舱罩；2、前机架；3、后机架；4、发电机；5、散热器；6、机舱罩弹性支撑；7、立柱；8、控制柜。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图2所示，风力发电机组包括机舱罩、前机架、后机架、发电机、散热器、机舱罩弹性支撑、立柱、控制柜等部件，其中后机架是风力发电机组的关键机械结构件，舱罩、控制柜、散热器、发电机等部件都是直接或间接安装在后机架，因此，后机架的稳定性和可靠性直接关系到风力发电机组运行的稳定性和可靠性。
如图1所示，本实施例的风力发电机组后机架的强度评估方法，其步骤为：S1.构建风力发电机组的有限元模型，所述有限元模型中，后机架和/或立柱采用壳单元模型；S2.在所述有限元模型中配置施加在所述后机架上载荷边界，所述载荷边界包括重力载荷和惯性载荷；S3.基于所述有限元模型，评估所述风力发电机组后机架的强度。在本实施例的步骤S1中，还包括为所述壳单元模型配置厚度、材料属性特征；所述有限元模型中机舱罩、控制柜、散热器、发电机采用质量单元模型。在有限元模型中，以壳单元模型来模拟后机架和立柱，能够更加真实的反映后机架、立柱的结构特征，也可以更好的模拟后机架与其它各部件之间的受力情况。机舱罩的重量根据其支撑点的数目进行均分，并以质量单元进行模拟。控制柜、散热器、发电机结构复杂，并且仅其重力影响后机架的受力，因此，以质量单元来模拟控制柜、散热器、发电机等部件。
在本实施例中，步骤S2中所述重力载荷包括由机舱罩、控制柜、散热器、发电机的重力而产生的重力载荷；所述惯性载荷包括：机舱在塔顶坐标系下沿X坐标轴方向的加速度载荷(即在机舱前-后方向上的加速度载荷)，和/或机舱在塔顶坐标系下沿Y坐标轴方向的加速度载荷(即在机舱左-右方向上的加速度载荷)，和/或机舱在塔顶坐标系下绕X坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Y坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Z坐标轴的角加速度载荷。在本实施例中，通过对后机架的重力载荷和惯性载荷的配置，可以清晰、准确的限定后机架的受力状态及载荷边界，可以准确的反映后机架的实际受力及载荷情况。在各个方向上的具体载荷值可通过风电载荷仿真计算软件计算得到。
在本实施例中，在所述步骤S2中，还包括对所述有限元模型中前机架的底部三个平动方向的自由度设置约束。风力发电机组的前机架通过偏航系统与塔架连接，而塔架是固定在地面，因此，在本实施例的建模中，需要对前机架的全部自由度进行约束，即三个平动方向的自由度。本实施例中，具体通过位移约束前机架与偏航轴承接触面来实现。
在本实施例中，由于前机架与后机架之间通过高强度的螺栓连接，因此，在本实施例中，在所述步骤S2中，还包括对所述有限元模型中前机架和后机架之间设置绑定约束。
在本实施例中，步骤S3中所述评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架静强度的评估：在所述重力载荷和所述惯性载荷的条件下，分析计算后机架的实际受力状态，并确定后机架的范式等效应力，根据后机架材料的屈服强度来判断所述后机架的静强度是否满足设计要求。具体地，通过Bladed软件输出风力发电机组后机架在塔顶坐标系下的风机惯性载荷及相关结构的重力载荷，从而计算后机架的实际受力状态，根据第四强度理论，计算后机架的最大范式等效应力，根据对后机架材料屈服强度的设计要求，如考虑1.1的安全系数，当最大范式等效应力小于后机架材料屈服强度设计要求时，则判定后机架的静强度满足设计要求。
在本实施例中，步骤S3中所述评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架母材的疲劳强度的评估：将后机架的载荷历程转化为应力历程，并根据应力历程计算母材的疲劳损伤值。由于后机架是焊接件，因此在对其进行疲劳强度计算时，需要分两种情况处理，对于焊缝处，应根据Eurocode3(指英标：BS EN1993-1-9：2005，钢结构设计第九章-疲劳)或IIW(国际焊接学会)焊接标准进行评估；而对于母材，可采用热点法或者将有限元模块中单位载荷下的应力结果输入至疲劳软件中，通过将载荷历程转化为应力历程，并通过雨流计数法，结合S-N曲线和线性累积损伤理论进行母材的疲劳损伤计算，当疲劳损伤值小于预设阈值时，如阈值取1，判定后机架的疲劳强度满是设计要求。本实施例的疲劳损伤计算过程可采用如下步骤：第一步，先在有限元模型上施加单位载荷，从而计算出单位载荷下后机架的应力分布；第二步，将单位载荷下的应力结果导入疲劳软件中，同时输入材料的S-N曲线和后机架的载荷时间历程；第三步，载荷历程与单位载荷下的应力结果相结合从而形成应力时间历程，通过雨流计数法，结合材料的S-N曲线及线性累积损伤法则进行后机架母材各热点的疲劳损伤计算。
在本实施例中，步骤S3中所述评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架刚度的评估：根据所述有限元模型，通过模态叠加法计算后机架的各阶频率，当后机架的局部模态频率落于预设的第一频率范围时，判断后机架需要加强；当后机架的整体模态频率落于预设的第二频率范围时，判断后机架需要进行系统优化。对于风力发电机，由于后机架是悬臂梁结构，在风力发电机组的运行过程中，后机架的刚度对其频率具有很重要的决定性作用，其刚度对传动链系统运行的稳定性具有一定的影响，如果后机架的固有频率与发电机的转频重合，极易发生共振。因此，在本实施例中，通过采用强度计算的有限元模型，采用模态叠加法计算后机架的各阶频率，再根据计算结果来评估后机架的结构是否满足设计需求，是否需要进行结构优化。具体地，以发电机的额定频率来确定第一频率范围，当后机架局部模态处于发电机的额定频率附近时，需对局部进行加强。以发电机的转频来确定第二频率范围，若后机架整体模态频率处于发电机的转频范围内时，需对后机架系统进行系统优化，如改变弹性支撑的刚度参数、对后机架进行结构优化，使其系统频率落在发电机的转频范围之外等等，从而避免发电机出现异常振动现象，保证风机运行的可靠性。
本实施例的一种风力发电机组后机架的强度评估系统，该评估系统通过上述的评估方法实现对风力发电机组后机架进行评估，评估系统包括建模子系统和评估子系统；所述建模子系统用于构建风力发电机组的有限元模型，所述有限元模型中，后机架和/或立柱采用壳单元模型；在所述有限元模型中配置施加在所述后机架上载荷边界，所述载荷边界包括重力载荷和惯性载荷；所述评估子系统用于基于所述有限元模型，评估所述风力发电机组后机架的强度。
在本实施例中，所述建模子系统还用于为所述壳单元模型配置厚度、材料属性特征；还用于配置所述有限元模型中机舱罩、控制柜、散热器、发电机为质量单元模型。所述建模子系统配置的重力载荷包括由机舱罩、控制柜、散热器、发电机的重力而产生的重力载荷；所述建模子系统配置的惯性载荷包括：机舱在塔顶坐标系下沿X坐标轴方向的加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下沿Y坐标轴方向的加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕X坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Y坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Z坐标轴的角加速度载荷。所述建模子系统还用于对所述有限元模型中前机架的底部三个平动方向的自由度设置约束；对所述有限元模型中前机架和后机架之间设置绑定约束。
在本实施例中，所述评估子系统评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架静强度的评估：在所述重力载荷和所述惯性载荷的条件下，分析计算后机架的实际受力状态，并确定后机架的范式等效应力，根据后机架材料的屈服强度来判断所述后机架的静强度是否满足设计要求。具体地，通过Bladed软件输出风力发电机组后机架在塔顶坐标系下的风机惯性载荷及相关结构的重力载荷，从而计算后机架的实际受力状态，根据第四强度理论，计算后机架的最大范式等效应力，根据对后机架材料屈服强度的设计要求，如考虑1.1的安全系数，当最大范式等效应力小于后机架材料屈服强度设计要求时，则判定后机架的静强度满足设计要求。
在本实施例中，所述评估子系统评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架母材的疲劳强度的评估：对后机架的母材，将后机架的载荷历程转化为应力历程，并根据应力历程计算母材的疲劳损伤值。由于后机架是焊接件，因此在对其进行疲劳强度计算时，需要分两种情况处理，对于焊缝处，应根据Eurocode3或IIW焊接标准进行评估；而对于母材，可采用热点法或者将有限元模块中单位载荷下的应力结果输入至疲劳软件中，通过将载荷历程转化为应力历程，并通过雨流计数法，结合S-N曲线和线性累积损伤理论进行母材的疲劳损伤计算，当疲劳损伤值小于预设阈值时，如阈值取1，判定后机架的疲劳强度满是设计要求。
在本实施例中，所述评估子系统评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架刚度的评估：具体用于根据所述有限元模型，通过模态叠加法计算后机架的各阶频率，当后机架的局部模态频率落于预设的第一频率范围时，判断后机架需要加强；当后机架的整体模态频率落于预设的第二频率范围时，判断后机架需要进行系统优化。对于风力发电机，由于后机架是悬臂梁结构，在风力发电机组的运行过程中，后机架的刚度对其频率具有很重要的决定性作用，其刚度对传动链系统运行的稳定性具有一定的影响，如果后机架的固有频率与发电机的转频重合，极易发生共振。因此，在本实施例中，通过采用强度计算的有限元模型，采用模态叠加法计算后机架的各阶频率，再根据计算结果来评估后机架的结构是否满足设计需求，是否需要进行结构优化。具体地，以发电机的额定频率来确定第一频率范围，当后机架局部模态处于发电机的额定频率附近时，需对局部进行加强。以发电机的转频来确定第二频率范围，若后机架整体模态频率处于发电机的转频范围内时，需对后机架系统进行系统优化，如改变弹性支撑的刚度参数、对后机架进行结构优化，使其系统频率落在发电机的转频范围之外等等，从而避免发电机出现异常振动现象，保证风机运行的可靠性。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (15)

1.一种风力发电机组后机架的强度评估方法，其特征在于：
S1.构建风力发电机组的有限元模型，所述有限元模型中，后机架和/或立柱采用壳单元模型；
S2.在所述有限元模型中配置施加在所述后机架上载荷边界，所述载荷边界包括重力载荷和惯性载荷；
S3.基于所述有限元模型，评估所述风力发电机组后机架的强度。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组后机架的强度评估方法，其特征在于：步骤S1中，还包括为所述壳单元模型配置厚度、材料属性特征；所述有限元模型中机舱罩、控制柜、散热器、发电机采用质量单元模型。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组后机架的强度评估方法，其特征在于：步骤S2中所述重力载荷包括由机舱罩、控制柜、散热器、发电机的重力而产生的重力载荷；所述惯性载荷包括：机舱在塔顶坐标系下沿X坐标轴方向的加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下沿Y坐标轴方向的加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕X坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Y坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Z坐标轴的角加速度载荷。
4.根据权利要求2所述的风力发电机组后机架的强度评估方法，其特征在于：在所述步骤S2中，还包括对所述有限元模型中前机架的底部三个平动方向的自由度设置约束。
5.根据权利要求4所述的风力发电机组后机架的强度评估方法，其特征在于：在所述步骤S2中，还包括对所述有限元模型中前机架和后机架之间设置绑定约束。
6.根据权利要求1至5任一项所述的风力发电机组后机架的强度评估方法，其特征在于：步骤S3中所述评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架静强度的评估：在所述重力载荷和所述惯性载荷的条件下，分析计算后机架的实际受力状态，并确定后机架的范式等效应力，根据后机架材料的屈服强度来判断所述后机架的静强度是否满足设计要求。
7.根据权利要求1至5任一项所述的风力发电机组后机架的强度评估方法，其特征在于：步骤S3中所述评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架母材的疲劳强度的评估：将后机架的载荷历程转化为应力历程，并根据应力历程计算母材的疲劳损伤值。
8.根据权利要求1至5任一项所述的风力发电机组后机架的强度评估方法，其特征在于：步骤S3中所述评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架刚度的评估：根据所述有限元模型，通过模态叠加法计算后机架的各阶频率，当后机架的局部模态频率落于预设的第一频率范围时，判断后机架需要加强；当后机架的整体模态频率落于预设的第二频率范围时，判断后机架需要进行系统优化。
9.一种风力发电机组后机架的强度评估系统，其特征在于：包括建模子系统和评估子系统；
所述建模子系统用于构建风力发电机组的有限元模型，所述有限元模型中，后机架和/或立柱采用壳单元模型；在所述有限元模型中配置施加在所述后机架上载荷边界，所述载荷边界包括重力载荷和惯性载荷；
所述评估子系统用于基于所述有限元模型，评估所述风力发电机组后机架的强度。
10.根据权利要求9所述的风力发电机组后机架的强度评估系统，其特征在于：所述建模子系统还用于为所述壳单元模型配置厚度、材料属性特征；还用于配置所述有限元模型中机舱罩、控制柜、散热器、发电机为质量单元模型。
11.根据权利要求10所述的风力发电机组后机架的强度评估系统，其特征在于：所述建模子系统配置的重力载荷包括由机舱罩、控制柜、散热器、发电机的重力而产生的重力载荷；
所述建模子系统配置的惯性载荷包括：机舱在塔顶坐标系下沿X坐标轴方向的加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下沿Y坐标轴方向的加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕X坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Y坐标轴的角加速度载荷，和/或机舱在塔顶坐标系下绕Z坐标轴的角加速度载荷。
12.根据权利要求11所述的风力发电机组后机架的强度评估系统，其特征在于：所述建模子系统还用于对所述有限元模型中前机架的底部三个平动方向的自由度设置约束；对所述有限元模型中前机架和后机架之间设置绑定约束。
13.根据权利要求9至12任一项所述的风力发电机组后机架的强度评估系统，其特征在于：
所述评估子系统评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架静强度的评估：在所述重力载荷和所述惯性载荷的条件下，分析计算后机架的实际受力状态，并确定后机架的范式等效应力，根据后机架材料的屈服强度来判断所述后机架的静强度是否满足设计要求。
14.根据权利要求9至12任一项所述的风力发电机组后机架的强度评估系统，其特征在于：
所述评估子系统评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架母材的疲劳强度的评估：对后机架的母材，将后机架的载荷历程转化为应力历程，并根据应力历程计算母材的疲劳损伤值。
15.根据权利要求9至12任一项所述的风力发电机组后机架的强度评估系统，其特征在于：
所述评估子系统评估所述风力发电机组后机架的强度包括对后机架刚度的评估：具体用于根据所述有限元模型，通过模态叠加法计算后机架的各阶频率，当后机架的局部模态频率落于预设的第一频率范围时，判断后机架需要加强；当后机架的整体模态频率落于预设的第二频率范围时，判断后机架需要进行系统优化。
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