CN110874515B - 三桩基础的疲劳损伤确定方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供一种三桩基础的疲劳损伤确定方法和设备，上述疲劳损伤确定方法包括：建立关于三桩基础的有限元模型，并在三桩基础的基顶建立局部坐标系；按照局部坐标系向有限元模型中的三桩基础的基顶分别施加多种单位载荷，提取应力应变信息；获取局部坐标系下的疲劳时序载荷；根据所述局部坐标系下的疲劳时序载荷和所述应力应变信息，计算三桩基础的不同位置处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量，以计算三桩基础的疲劳强度安全系数。采用本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定方法和设备，考虑到不同载荷分量、不同基础位置对结构疲劳强度的影响，使得结果更加全面。

Description

三桩基础的疲劳损伤确定方法和设备

技术领域

本发明总体上涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种海上三桩基础的疲劳损伤确定方法和设备。

背景技术

三桩基础是海上风电的重要基础结构形式，多用于水深在40m左右的海上区域，三桩基础通常由多个直径在2m左右、壁厚在40mm-70mm之间的圆筒形钢管焊接而成。作为海上支撑结构的重要组成部分，三桩基础在25年的设计寿命期间，一方面要承受风力发电机组在运行过程中的各种复杂动态载荷和海浪动态载荷，另一方面其本身的复杂焊接结构，尤其是焊缝使得其更容易发生疲劳破坏，因此三桩基础的疲劳安全性是海上支撑结构安全性的重要内容之一。

对于现有三桩基础的疲劳计算，多采用名义应力法(nominal stress method，不考虑结构局部细节的整体应力，通常采用材料力学公式计算得到)对焊接接头进行疲劳计算，在具体使用过程中，分别是使用塔底疲劳马尔科夫矩阵和基于莫里森公式得到的波浪疲劳载荷对焊接接头进行疲劳损伤的叠加计算，对于具有规则形状尤其是焊缝法向方向垂直于泥面的焊缝来说，该评价方法是合理有效的，因为此时计算得到的名义应力是基于结构的尺寸，但是对于焊缝方向不垂直于泥面的焊缝来说，由于载荷和焊缝的结构尺寸方向并不一致，此时得到的名义应力并不能准确反映此时结构的应力分布，此时再使用名义应力法对结构进行疲劳计算可能会造成计算结果过保守或过不保守。

发明内容

本发明的示例性实施例的目的在于提供一种三桩基础的疲劳损伤确定方法和设备，以克服上述至少一个缺点。

在一个总体方面，提供一种三桩基础的疲劳损伤确定方法，所述疲劳损伤确定方法包括：建立关于三桩基础的有限元模型，并在三桩基础的基顶建立局部坐标系；按照局部坐标系向有限元模型中的三桩基础的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在局部坐标系的所述多种单位载荷作用下的应力应变信息；获取在三桩基础的底部的疲劳时序载荷；对获取的疲劳时序载荷载进行坐标转换，获得所述局部坐标系下的疲劳时序载荷；根据所述局部坐标系下的疲劳时序载荷和所述应力应变信息，计算三桩基础的不同位置处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量；基于所述多个应力分量计算三桩基础的不同位置处的应力谱，并基于三桩基础的不同位置处的应力谱计算三桩基础的疲劳强度安全系数。

可选地，所述三桩基础可包括第一桩、第二桩、第三桩和一个承台，其中，在三桩基础的基顶建立局部坐标系的步骤可包括：在第一桩、第二桩、第三桩的基顶处分别建立第一局部坐标系、第二局部坐标系、第三局部坐标系，在承台的基顶处以预定角度间隔建立多个第四局部坐标系，其中，按照局部坐标系向有限元模型中的三桩基础的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在局部坐标系的所述多种单位载荷作用下的应力应变信息的步骤可包括：按照第一局部坐标系向第一桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第二局部坐标系向第二桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第三局部坐标系向第三桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照所述多个第四局部坐标系向承台的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在各局部坐标系的多种单位载荷作用下的应力应变信息。

可选地，所述疲劳损伤确定方法可还包括：在三桩基础表面施加壳单元；在第一桩、第二桩、第三桩的基顶以及承台的基顶分别建立载荷伞，以经由所建立的载荷伞的传递，提取三桩基础的不同位置处在各局部坐标系的多种单位载荷作用下的应力应变信息，其中，不同位置处可指在每个壳单元处或者在有限元模型的每个节点处。

可选地，所述多种单位载荷可包括来自不同方向的力和弯矩，其中，来自不同方向的力和弯矩包括：±F_x、±F_y、±F_z、±M_x、±M_y、±M_z，其中，F_x表示第一预定方向上的力，F_y表示第二预定方向上的力，F_z表示第三预定方向上的力，M_x表示第一预定方向上的弯矩，M_y表示第二预定方向上的弯矩，M_z表示第三预定方向上的弯矩。

可选地，获取在三桩基础的底部的疲劳时序载荷的步骤可包括：获取在塔底处以及在第一桩底处、第二桩底处、第三桩桩底处的疲劳时序载荷。

可选地，对获取的疲劳时序载荷载进行坐标转换，获得所述局部坐标系下的疲劳时序载荷的步骤可包括：将获取的疲劳时序载荷相对于全局坐标系z轴旋转，根据三角函数关系得到所述局部坐标系下的多种疲劳时序载荷。

可选地，基于所述多个应力分量计算三桩基础的不同位置处的应力谱，并基于三桩基础的不同位置处的应力谱计算三桩基础的疲劳强度安全系数的步骤可包括：基于所述多个应力分量采用临界平面法计算三桩基础的不同位置处的应力谱；对三桩基础的不同位置处的应力谱进行雨流统计，结合S-N曲线计算三桩基础的疲劳强度安全系数。

可选地，三桩基础的疲劳强度安全系数可包括三桩基础的母材的疲劳强度安全系数和三桩基础的焊缝的疲劳强度安全系数。

可选地，根据所述局部坐标系下的疲劳时序载荷和所述应力应变信息，计算三桩基础的不同位置处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量的步骤可包括：根据三桩基础的焊缝的类型，确定与焊缝的焊趾位置对应的外推参考点的位置；根据所述应力应变信息，确定外推参考点在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量；根据外推参考点的多个应力分量推算焊缝的焊趾位置的多个应力分量，其中，基于所述多个应力分量计算三桩基础的不同位置处的应力谱，并基于三桩基础的不同位置处的应力谱计算三桩基础的疲劳强度安全系数的步骤可包括：基于焊趾位置的多个应力分量计算焊趾位置处的应力谱，并基于焊趾位置处的应力谱计算焊缝的疲劳强度安全系数。

可选地，可在焊趾位置建立第五局部坐标系，第五局部节点坐标系的X轴平行于焊缝，Y轴垂直于焊缝，其中，外推参考点的多个应力分量可包括外推参考点的第五局部坐标系下的垂直于焊缝的正应力、平行于焊缝的正应力和平行于焊缝的切应力。

可选地，当焊缝包含多个焊趾位置时，可在每个焊趾位置处分别建立第五局部坐标系，其中，计算焊缝的疲劳强度安全系数的步骤可包括：基于每个焊趾位置处的应力谱分别计算焊缝的疲劳强度安全系数，将最大的疲劳强度安全系数作为焊缝的最终疲劳强度安全系数。

在另一方面，提供一种三桩基础的疲劳损伤确定设备，所述疲劳损伤确定设备包括：模型建立单元，建立关于三桩基础的有限元模型，并在三桩基础的基顶建立局部坐标系；应力应变信息提取单元，按照局部坐标系向有限元模型中的三桩基础的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在局部坐标系的所述多种单位载荷作用下的应力应变信息；时序载荷获取单元，获取在三桩基础的底部的疲劳时序载荷；坐标转换单元，对获取的疲劳时序载荷载进行坐标转换，获得所述局部坐标系下的疲劳时序载荷；应力分量确定单元，根据所述局部坐标系下的疲劳时序载荷和所述应力应变信息，计算三桩基础的不同位置处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量；疲劳强度确定单元，基于所述多个应力分量计算三桩基础的不同位置处的应力谱，并基于三桩基础的不同位置处的应力谱计算三桩基础的疲劳强度安全系数。

可选地，所述三桩基础可包括第一桩、第二桩、第三桩和一个承台，其中，模型建立单元可在第一桩、第二桩、第三桩的基顶处分别建立第一局部坐标系、第二局部坐标系、第三局部坐标系，在承台的基顶处以预定角度间隔建立多个第四局部坐标系，应力应变信息提取单元按照第一局部坐标系向第一桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第二局部坐标系向第二桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第三局部坐标系向第三桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照所述多个第四局部坐标系向承台的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在各局部坐标系的多种单位载荷作用下的应力应变信息。

可选地，应力应变信息提取单元可在三桩基础表面施加壳单元，在第一桩、第二桩、第三桩的基顶以及承台的基顶分别建立载荷伞，以经由所建立的载荷伞的传递，提取三桩基础的不同位置处在各局部坐标系的多种单位载荷作用下的应力应变信息，其中，不同位置处可指在每个壳单元处或者在有限元模型的每个节点处。

可选地，所述多种单位载荷可包括来自不同方向的力和弯矩，其中，来自不同方向的力和弯矩包括：±F_x、±F_y、±F_z、±M_x、±M_y、±M_z，其中，F_x表示第一预定方向上的力，F_y表示第二预定方向上的力，F_z表示第三预定方向上的力，M_x表示第一预定方向上的弯矩，M_y表示第二预定方向上的弯矩，M_z表示第三预定方向上的弯矩。

可选地，时序载荷获取单元可获取在塔底处以及在第一桩底处、第二桩底处、第三桩桩底处的疲劳时序载荷。

可选地，坐标转换单元可将获取的疲劳时序载荷相对于全局坐标系z轴旋转，根据三角函数关系得到所述局部坐标系下的多种疲劳时序载荷。

可选地，疲劳强度确定单元可基于所述多个应力分量采用临界平面法计算三桩基础的不同位置处的应力谱，对三桩基础的不同位置处的应力谱进行雨流统计，结合S-N曲线计算三桩基础的疲劳强度安全系数。

可选地，三桩基础的疲劳强度安全系数可包括三桩基础的母材的疲劳强度安全系数和三桩基础的焊缝的疲劳强度安全系数。

可选地，应力分量确定单元可根据三桩基础的焊缝的类型，确定与焊缝的焊趾位置对应的外推参考点的位置，根据所述应力应变信息，确定外推参考点在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量，根据外推参考点的多个应力分量推算焊缝的焊趾位置的多个应力分量，其中，疲劳强度确定单元可基于焊趾位置的多个应力分量计算焊趾位置处的应力谱，并基于焊趾位置处的应力谱计算焊缝的疲劳强度安全系数。

可选地，可在焊趾位置建立第五局部坐标系，第五局部节点坐标系的X轴平行于焊缝，Y轴垂直于焊缝，其中，外推参考点的多个应力分量可包括外推参考点的第五局部坐标系下的垂直于焊缝的正应力、平行于焊缝的正应力和平行于焊缝的切应力。

可选地，当焊缝包含多个焊趾位置时，可在每个焊趾位置处分别建立第五局部坐标系，其中，疲劳强度确定单元可基于每个焊趾位置处的应力谱分别计算焊缝的疲劳强度安全系数，将最大的疲劳强度安全系数作为焊缝的最终疲劳强度安全系数。

在另一总体方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现上述的三桩基础的疲劳损伤确定方法。

在另一总体方面，提供一种计算装置，所述计算装置包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的三桩基础的疲劳损伤确定方法。

采用本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制方法和设备，能够提高对风力发电机组的偏航控制的精确度，使得风力发电机组能够最大程度的捕获风能。

附图说明

通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的详细描述，本发明示例性实施例的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚。

图1示出根据本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定方法的流程图；

图2示出根据本发明示例性实施例的计算三桩基础的疲劳强度安全系数的步骤的流程图；

图3示出根据本发明示例性实施例的计算焊缝的焊趾位置的多个应力分量的步骤的流程图；

图4示出根据本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定设备的框图。

具体实施方式

现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例，一些示例性实施例在附图中示出。

图1示出根据本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定方法的流程图。

参照图1，在步骤S10中，建立关于三桩基础的有限元模型，并在三桩基础的基顶建立局部坐标系。

例如，可使用CAD软件构建包含风力发电机组的塔筒底段(塔筒与承台接触的一段)和泥面以上部分的三桩基础的装配模型，在通用有限元软件中分别对上述装配模型中的各部件划分网格，建立关于三桩基础的有限元模型。作为示例，在关于三桩基础的有限元模型中，泥面位置采用刚度矩阵约束，泥面位置处的载荷通过载荷伞的方式传递到结构。

三桩基础(tripod foundation)指海上工程的一种基础型式，通常有3个桩落入海中。例如，三桩基础可包括第一桩、第二桩、第三桩和一个承台。

优选地，在三桩基础的基顶建立局部坐标系的步骤可包括：在第一桩、第二桩、第三桩的基顶处分别建立第一局部坐标系CS201、第二局部坐标系CS301、第三局部坐标系CS401，在承台的基顶处以预定角度间隔

建立多个第四局部坐标系。作为示例，CS201、CS301、CS401坐标系的z轴垂直向上，X轴的方向与Bladed软件中的坐标系方向一致，以便于后续的计算。

作为示例，可在承台的基顶处以预定角度间隔(如，每隔

)建立12个第四局部坐标系CS101、CS102、CS103、CS104、CS105、CS106、CS107、CS108、CS109、CS110、CS111、CS112。应理解，上述建立多个第四局部坐标系的方式仅为示例，本领域技术人员还可采用其他方式来确定多个第四局部坐标系，还可根据需要调整第四局部坐标系的数量。此外，本领域技术人员还可根据计算精度需求来调整预定角度间隔

的取值，

的取值越小，计算的精度越高，

的取值越大，计算的精度越低。

在步骤S20中，按照局部坐标系向有限元模型中的三桩基础的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在局部坐标系的所述多种单位载荷作用下的应力应变信息。

例如，多种单位载荷可包括来自不同方向的力和弯矩。作为示例，来自不同方向的力和弯矩可包括：±F_x、±F_y、±F_z、±M_x、±M_y、±M_z。这里，F表示力，M表示弯矩，x、y和z分别表示第一预定方向、第二预定方向和第三预定方向。例如，x、y和z可分别表示局部坐标系的x轴、y轴和z轴。F_x表示第一预定方向上的力，F_y表示第二预定方向上的力，F_z表示第三预定方向上的力，M_x表示第一预定方向上的弯矩，M_y表示第二预定方向上的弯矩，M_z表示第三预定方向上的弯矩。

优选地，根据本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定方法可还包括：在三桩基础表面施加壳单元，以用于提取母材和焊缝、焊趾位置处的应力应变信息，在第一桩、第二桩、第三桩的基顶以及承台的基顶分别建立载荷伞，以用于传递载荷。

在此情况下，在步骤S20可按照第一局部坐标系向第一桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第二局部坐标系向第二桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第三局部坐标系向第三桩的基顶分别施加多种单位载荷。例如，可在三个桩的基顶处按照各自对应的局部坐标系分别施加12种单位载荷±F_x、±F_y、±F_z、±M_x、±M_y、±M_z，相应地，可具有对应的3×12×1种单位工况，以在后续获得在上述单位工况下的应力应变信息。

在步骤S20还可按照多个第四局部坐标系向承台的基顶分别施加多种单位载荷。例如，可在承台的基顶处按照多个第四局部坐标系分别施加12种单位载荷±F_x、±F_y、±F_z、±M_x、±M_y、±M_z，相应地，可具有对应的1×12×12种单位工况。后续计算的即是在3×12×1+1×12×12种单位工况下(即，各局部坐标系的多种单位载荷下)的应力应变信息。

在通过上述方式施加单位载荷之后，经由所建立的载荷伞的传递，可提取三桩基础的不同位置处在各局部坐标系的多种单位载荷作用下的应力应变信息。作为示例，不同位置处可指在每个壳单元处或者在有限元模型的每个节点处。

在步骤S30中，获取在三桩基础的底部的疲劳时序载荷。

作为示例，上述疲劳时序载荷可为Bladed软件基于一体化建模在三桩基础的底部得到的疲劳时序载荷。这里，疲劳时序载荷可为随时间变化的疲劳载荷，且该疲劳时序载荷可包括在所有工况下的各方向上的疲劳载荷。

例如，上述疲劳时序载荷可为Bladed软件基于一体化建模在塔底处以及在第一桩底处、第二桩底处、第三桩桩底处的疲劳时序载荷。

在步骤S40中，对获取的疲劳时序载荷载进行坐标转换，获得局部坐标系下的疲劳时序载荷。

例如，可将获取的疲劳时序载荷相对于全局坐标系z轴旋转，根据三角函数关系得到局部坐标系下的多种疲劳时序载荷(如可得到上述建立的各局部坐标系下的多种疲劳时序载荷)。

在步骤S50中，根据局部坐标系下的疲劳时序载荷和提取的多种单位载荷作用下的应力应变信息，计算三桩基础的不同位置处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量。

例如，可通过Ansys的APDL程序提取在每个壳单元处或每个节点处在多种单位载荷作用下的应力应变信息，即，在局部坐标系的多种单位载荷作用下的应力

这里，sx为平行于x轴的正应力，sy为平行于y轴的正应力，sxy为切应力，

为预定角度间隔。根据转换后的疲劳时序载荷以及上述多种单位载荷作用下的应力，得到在每个壳单元处或每个节点处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下(即，各单位工况下)的多个应力分量(如，

)。

在步骤S60中，基于所述多个应力分量计算三桩基础的不同位置处的应力谱，并基于三桩基础的不同位置处的应力谱计算三桩基础的疲劳强度安全系数。

图2示出根据本发明示例性实施例的计算三桩基础的疲劳强度安全系数的步骤的流程图。

参照图2，在步骤S201中，基于所述多个应力分量采用临界平面法(CPA)计算三桩基础的不同位置处的应力谱。这里，利用临界平面法来计算应力谱的方式为本领域的公知常识，本发明对此部分内容不再赘述。

在步骤S202中，对三桩基础的不同位置处的应力谱进行雨流统计，结合S-N曲线计算三桩基础的疲劳强度安全系数。这里，可利用各种方法来基于雨流统计结果以及S-N曲线计算疲劳强度安全系数，本发明对此不做限定。此外，雨流统计方法为本领域的公知常识，本发明对此部分内容不再赘述。

在一个示例中，三桩基础的疲劳强度安全系数可包括三桩基础的母材的疲劳强度安全系数。

例如，对于母材可直接利用在每个壳单元或每个节点处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量，采用临界平面法计算在每个壳单元或每个节点处的应力谱，对计算得到的应力谱进行雨流统计，结合S-N曲线计算出使用寿命期内母材的疲劳损伤之和(即，疲劳累积损伤值)，以25年的使用寿命期的疲劳累积损伤为1作为参考量，得到母材的疲劳强度安全系数。

在另一示例中，三桩基础的疲劳强度安全系数可包括三桩基础的焊缝的疲劳强度安全系数。

在此情况下，可根据局部坐标系下的疲劳时序载荷和在每个壳单元或每个节点处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的应力应变信息，计算焊缝的焊趾位置在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量。下面参照图3来介绍计算焊缝的焊趾位置的多个应力分量的步骤。

图3示出根据本发明示例性实施例的计算焊缝的焊趾位置的多个应力分量的步骤的流程图。

参照图3，在步骤S301中，根据三桩基础的焊缝的类型，确定与焊缝的焊趾位置对应的外推参考点的位置。

这里，根据IIW的规定，如果焊缝的类型为a型焊缝，则外推参考点可分别在距离焊趾0.4t和1t处，t为用于插值的塔壁的厚度。如果焊缝的类型为b型焊缝，则外推参考点在距离焊趾的4mm(毫米)，8mm，12mm处。

在步骤S302中，根据上述提取的应力应变信息，确定外推参考点在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量。

优选地，可在焊趾位置建立第五局部坐标系，第五局部节点坐标系的x轴平行于焊缝，y轴垂直于焊缝。此时，外推参考点的多个应力分量包括外推参考点的第五局部坐标系下的垂直于焊缝的正应力sy、平行于焊缝的正应力sx和平行于焊缝的切应力sxy。

在步骤S303中，根据外推参考点的多个应力分量推算焊缝的焊趾位置的多个应力分量。

例如，可通过Ansys的APDL程序提取在焊趾位置在多种单位载荷作用下的应力应变信息，即，在局部坐标系的多种单位载荷作用下的

根据转换后的疲劳时序载荷以及上述多种单位载荷作用下的应力，得到焊趾在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量(如，

)。

在此情况下，可基于焊趾位置的多个应力分量计算焊趾位置处的应力谱，并基于焊趾位置处的应力谱计算焊缝的疲劳强度安全系数。例如，对焊缝进行临界平面法(CPA)计算得到焊趾处的应力谱，对应力谱进行雨流统计，结合S-N曲线得到焊缝的Palmgren-Miner损伤，基于Palmgren-Miner损伤计算焊缝的疲劳强度安全系数。作为示例，可以25年累计损伤D＝1作为参考量，得到焊缝的疲劳强度安全系数SRF。

在一优选实施例中，当焊缝包含多个焊趾位置时，在每个焊趾位置处分别建立第五局部坐标系，并基于每个焊趾位置处的应力谱分别计算焊缝的疲劳强度安全系数，将计算得到的与各焊趾位置对应疲劳强度安全系数中最大的疲劳强度安全系数作为焊缝的最终疲劳强度安全系数。

图4示出根据本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定设备的框图。

如图4所示，根据本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定设备包括：模型建立单元10、应力应变信息提取单元20、时序载荷获取单元30、坐标转换单元40、应力分量确定单元50和疲劳强度确定单元60。

具体说来，模型建立单元10建立关于三桩基础的有限元模型，并在三桩基础的基顶建立局部坐标系。

例如，模型建立单元10可使用CAD软件构建包含风力发电机组的塔筒底段(塔筒与承台接触的一段)和泥面以上部分的三桩基础的装配模型，在通用有限元软件中分别对上述装配模型中的各部件划分网格，建立关于三桩基础的有限元模型。

三桩基础(tripod foundation)指海上工程的一种基础型式，通常有3个桩落入海中。例如，三桩基础可包括第一桩、第二桩、第三桩和一个承台。

优选地，模型建立单元10可在第一桩、第二桩、第三桩的基顶处分别建立第一局部坐标系、第二局部坐标系、第三局部坐标系，在承台的基顶处以预定角度间隔建立多个第四局部坐标系。

应力应变信息提取单元20按照局部坐标系向有限元模型中的三桩基础的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在局部坐标系的所述多种单位载荷作用下的应力应变信息。

例如，多种单位载荷可包括来自不同方向的力和弯矩。作为示例，来自不同方向的力和弯矩可包括：±F_x、±F_y、±F_z、±M_x、±M_y、±M_z。这里，F表示力，M表示弯矩，x、y和z分别表示第一预定方向、第二预定方向和第三预定方向。例如，x、y和z可分别表示局部坐标系的x轴、y轴和z轴。

优选地，应力应变信息提取单元20可在三桩基础表面施加壳单元，以用于提取母材和焊缝、焊趾位置处的应力应变信息，在第一桩、第二桩、第三桩的基顶以及承台的基顶分别建立载荷伞，以用于传递载荷。

在此情况下，应力应变信息提取单元20可按照第一局部坐标系向第一桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第二局部坐标系向第二桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第三局部坐标系向第三桩的基顶分别施加多种单位载荷，还可按照多个第四局部坐标系向承台的基顶分别施加多种单位载荷。应力应变信息提取单元20经由所建立的载荷伞的传递，可提取三桩基础的不同位置处在各局部坐标系的多种单位载荷作用下的应力应变信息。作为示例，不同位置处可指在每个壳单元处或者在有限元模型的每个节点处。

时序载荷获取单元30获取在三桩基础的底部的疲劳时序载荷。

作为示例，上述疲劳时序载荷可为时序载荷获取单元30从Bladed软件获取的Bladed软件基于一体化建模在三桩基础的底部得到的疲劳时序载荷。这里，疲劳时序载荷可为随时间变化的疲劳载荷，且该疲劳时序载荷可包括在所有工况下的各方向上的疲劳载荷。

例如，上述疲劳时序载荷可为在塔底处以及在第一桩底处、第二桩底处、第三桩桩底处的疲劳时序载荷。

坐标转换单元40对获取的疲劳时序载荷载进行坐标转换，获得所述局部坐标系下的疲劳时序载荷。

例如，坐标转换单元40可将获取的疲劳时序载荷相对于全局坐标系z轴(z轴垂直向上)旋转，根据三角函数关系得到局部坐标系下的多种疲劳时序载荷。

应力分量确定单元50根据所述局部坐标系下的疲劳时序载荷和所述应力应变信息，计算三桩基础的不同位置处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量。

疲劳强度确定单元60基于所述多个应力分量计算三桩基础的不同位置处的应力谱，并基于三桩基础的不同位置处的应力谱计算三桩基础的疲劳强度安全系数。

例如，疲劳强度确定单元60可基于所述多个应力分量采用临界平面法计算三桩基础的不同位置处的应力谱，对三桩基础的不同位置处的应力谱进行雨流统计，结合S-N曲线计算三桩基础的疲劳强度安全系数。

在一个示例中，三桩基础的疲劳强度安全系数可包括三桩基础的母材的疲劳强度安全系数。

例如，对于母材疲劳强度确定单元60可直接利用在每个壳单元或每个节点处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量，采用临界平面法计算在每个壳单元或每个节点处的应力谱，对计算得到的应力谱进行雨流统计，结合S-N曲线计算出使用寿命期内母材的疲劳损伤之和(即，疲劳累积损伤值)，以25年的使用寿命期的疲劳累积损伤为1作为参考量，得到母材的疲劳强度安全系数。

在另一示例中，三桩基础的疲劳强度安全系数可包括三桩基础的焊缝的疲劳强度安全系数。

在此情况下，疲劳强度确定单元60可根据局部坐标系下的疲劳时序载荷和在每个壳单元或每个节点处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的应力应变信息，计算焊缝的焊趾位置在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量。

具体说来，应力分量确定单元50可根据三桩基础的焊缝的类型，确定与焊缝的焊趾位置对应的外推参考点的位置，根据所述应力应变信息，确定外推参考点在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量，根据外推参考点的多个应力分量推算焊缝的焊趾位置的多个应力分量。疲劳强度确定单元60基于焊趾位置的多个应力分量计算焊趾位置处的应力谱，并基于焊趾位置处的应力谱计算焊缝的疲劳强度安全系数。

这里，根据IIW的规定，如果焊缝的类型为a型焊缝，则外推参考点可分别在距离焊趾0.4t和1t处，t为用于插值的塔壁的厚度。如果焊缝的类型为b型焊缝，则外推参考点在距离焊趾的4mm(毫米)，8mm，12mm处。

优选地，可在焊趾位置建立第五局部坐标系，第五局部节点坐标系的x轴平行于焊缝，y轴垂直于焊缝。此时，外推参考点的多个应力分量包括外推参考点的第五局部坐标系下的垂直于焊缝的正应力sy、平行于焊缝的正应力sx和平行于焊缝的切应力sxy。

在此情况下，疲劳强度确定单元60可基于焊趾位置的多个应力分量计算焊趾位置处的应力谱，并基于焊趾位置处的应力谱计算焊缝的疲劳强度安全系数。例如，对焊缝进行临界平面法(CPA)计算得到焊趾处的应力谱，对应力谱进行雨流统计，结合S-N曲线得到焊缝的Palmgren-Miner损伤，基于Palmgren-Miner损伤计算焊缝的疲劳强度安全系数。作为示例，可以25年累计损伤D＝1作为参考量，得到焊缝的疲劳强度安全系数SRF。

在一优选实施例中，当焊缝包含多个焊趾位置时，在每个焊趾位置处分别建立第五局部坐标系，疲劳强度确定单元60可基于每个焊趾位置处的应力谱分别计算焊缝的疲劳强度安全系数，将计算得到的与各焊趾位置对应疲劳强度安全系数中最大的疲劳强度安全系数作为焊缝的最终疲劳强度安全系数。

根据本发明的示例性实施例还提供一种计算装置。该计算装置包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行上述的三桩基础的疲劳损伤确定方法的计算机程序。

根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述三桩基础的疲劳损伤确定方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。

采用本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定方法和设备，能够实现在多载荷分量共同作用下的三桩基础的疲劳损伤计算。此外，上述疲劳损伤确定方法和设备还可对三桩基础的焊缝和母材的疲劳强度同时进行评估。

此外，采用本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定方法和设备，可以考虑复杂结构所产生的应力集中影响，以及不同载荷之间的耦合对于结构的影响。此外，上述疲劳损伤确定方法和设备同时评估三桩基础的焊缝和母材的疲劳强度，能够使得结果更加全面，同时考虑多个载荷分量对于结构疲劳强度的影响，可以使得结果更加全面保守，同时考虑不同基础位置对于结构疲劳强度的影响，也可使得结果更加全面。

此外，采用本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定方法和设备，采用有限元分析对三桩基础结构进行计算，考虑了结构实际的复杂形状对于计算结果的影响。应理解，上述疲劳损伤确定方法和设备不限于对三桩基础进行疲劳损伤分析，其他基础结构形式也可采用上述疲劳损伤确定方法和设备进行计算。

此外，采用本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定方法和设备，采用时序载荷进行计算，而非马尔科夫矩阵进行计算，使得结果更为全面、准确。此外，上述疲劳损伤确定方法和设备考虑了所有载荷分量对于结构的影响，还考虑了三桩基础的不同位置对于疲劳计算结果的影响。上述疲劳损伤确定方法和设备基于热点应力法对焊缝和母材进行了疲劳计算。

此外，采用本发明示例性实施例的三桩基础的疲劳损伤确定方法和设备，对同一焊缝，针对不同焊趾位置进行了疲劳评估，提高了结果的准确性。上述疲劳损伤确定方法和设备基于APDL，来快速建立局部坐标系，此外，关于三桩基础的有限元模型中将塔底段的一部分考虑在内。除此之外，还考虑了壁厚对疲劳的削弱影响，使得结果更加全面。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (24)

1.一种三桩基础的疲劳损伤确定设备，其特征在于，所述疲劳损伤确定设备包括：

模型建立单元，建立关于三桩基础的有限元模型，并在三桩基础的基顶建立局部坐标系；

应力应变信息提取单元，按照局部坐标系向有限元模型中的三桩基础的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在局部坐标系的所述多种单位载荷作用下的应力应变信息；

时序载荷获取单元，获取在三桩基础的底部的疲劳时序载荷；

坐标转换单元，对获取的疲劳时序载荷进行坐标转换，获得所述局部坐标系下的疲劳时序载荷；

应力分量确定单元，根据所述局部坐标系下的疲劳时序载荷和所述应力应变信息，计算三桩基础的不同位置处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量；

疲劳强度确定单元，基于所述多个应力分量计算三桩基础的不同位置处的应力谱，并基于三桩基础的不同位置处的应力谱计算三桩基础的疲劳强度安全系数。

2.如权利要求1所述的疲劳损伤确定设备，其特征在于，所述三桩基础包括第一桩、第二桩、第三桩和一个承台，

其中，模型建立单元在第一桩、第二桩、第三桩的基顶处分别建立第一局部坐标系、第二局部坐标系、第三局部坐标系，在承台的基顶处以预定角度间隔建立多个第四局部坐标系，

应力应变信息提取单元按照第一局部坐标系向第一桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第二局部坐标系向第二桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第三局部坐标系向第三桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照所述多个第四局部坐标系向承台的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在各局部坐标系的多种单位载荷作用下的应力应变信息。

3.如权利要求2所述的疲劳损伤确定设备，其特征在于，应力应变信息提取单元在三桩基础表面施加壳单元，在第一桩、第二桩、第三桩的基顶以及承台的基顶分别建立载荷伞，以经由所建立的载荷伞的传递，提取三桩基础的不同位置处在各局部坐标系的多种单位载荷作用下的应力应变信息，

其中，不同位置处指在每个壳单元处或者在有限元模型的每个节点处。

4.如权利要求1-3中的任意一项所述的疲劳损伤确定设备，其特征在于，所述多种单位载荷包括来自不同方向的力和弯矩，

其中，来自不同方向的力和弯矩包括：±F_x、±F_y、±F_z、±M_x、±M_y、±M_z，其中，F_x表示第一预定方向上的力，F_y表示第二预定方向上的力，F_z表示第三预定方向上的力，M_x表示第一预定方向上的弯矩，M_y表示第二预定方向上的弯矩，M_z表示第三预定方向上的弯矩。

5.如权利要求2所述的疲劳损伤确定设备，其特征在于，时序载荷获取单元获取在塔底处以及在第一桩底处、第二桩底处、第三桩底处的疲劳时序载荷。

6.如权利要求1所述的疲劳损伤确定设备，其特征在于，坐标转换单元将获取的疲劳时序载荷相对于全局坐标系z轴旋转，根据三角函数关系得到所述局部坐标系下的多种疲劳时序载荷。

7.如权利要求1所述的疲劳损伤确定设备，其特征在于，疲劳强度确定单元基于所述多个应力分量采用临界平面法计算三桩基础的不同位置处的应力谱，对三桩基础的不同位置处的应力谱进行雨流统计，结合S-N曲线计算三桩基础的疲劳强度安全系数。

8.如权利要求1所述的疲劳损伤确定设备，其特征在于，三桩基础的疲劳强度安全系数包括三桩基础的母材的疲劳强度安全系数和三桩基础的焊缝的疲劳强度安全系数。

9.如权利要求8所述的疲劳损伤确定设备，其特征在于，应力分量确定单元根据三桩基础的焊缝的类型，确定与焊缝的焊趾位置对应的外推参考点的位置，根据所述应力应变信息，确定外推参考点在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量，根据外推参考点的多个应力分量推算焊缝的焊趾位置的多个应力分量，

其中，疲劳强度确定单元基于焊趾位置的多个应力分量计算焊趾位置处的应力谱，并基于焊趾位置处的应力谱计算焊缝的疲劳强度安全系数。

10.如权利要求9所述的疲劳损伤确定设备，其特征在于，在焊趾位置建立第五局部坐标系，第五局部坐标系的X轴平行于焊缝，Y轴垂直于焊缝，

其中，外推参考点的多个应力分量包括外推参考点的第五局部坐标系下的垂直于焊缝的正应力、平行于焊缝的正应力和平行于焊缝的切应力。

11.如权利要求10所述的疲劳损伤确定设备，其特征在于，当焊缝包含多个焊趾位置时，在每个焊趾位置处分别建立第五局部坐标系，

其中，疲劳强度确定单元基于每个焊趾位置处的应力谱分别计算焊缝的疲劳强度安全系数，将最大的疲劳强度安全系数作为焊缝的最终疲劳强度安全系数。

12.一种三桩基础的疲劳损伤确定方法，其特征在于，所述疲劳损伤确定方法包括：

建立关于三桩基础的有限元模型，并在三桩基础的基顶建立局部坐标系；

按照局部坐标系向有限元模型中的三桩基础的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在局部坐标系的所述多种单位载荷作用下的应力应变信息；

获取在三桩基础的底部的疲劳时序载荷；

对获取的疲劳时序载荷进行坐标转换，获得所述局部坐标系下的疲劳时序载荷；

根据所述局部坐标系下的疲劳时序载荷和所述应力应变信息，计算三桩基础的不同位置处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量；

基于所述多个应力分量计算三桩基础的不同位置处的应力谱，并基于三桩基础的不同位置处的应力谱计算三桩基础的疲劳强度安全系数。

13.如权利要求12所述的疲劳损伤确定方法，其特征在于，所述三桩基础包括第一桩、第二桩、第三桩和一个承台，

其中，在三桩基础的基顶建立局部坐标系的步骤包括：

在第一桩、第二桩、第三桩的基顶处分别建立第一局部坐标系、第二局部坐标系、第三局部坐标系，在承台的基顶处以预定角度间隔建立多个第四局部坐标系，

其中，按照局部坐标系向有限元模型中的三桩基础的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在局部坐标系的所述多种单位载荷作用下的应力应变信息的步骤包括：

按照第一局部坐标系向第一桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第二局部坐标系向第二桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照第三局部坐标系向第三桩的基顶分别施加多种单位载荷，按照所述多个第四局部坐标系向承台的基顶分别施加多种单位载荷，提取三桩基础的不同位置处在各局部坐标系的多种单位载荷作用下的应力应变信息。

14.如权利要求13所述的疲劳损伤确定方法，其特征在于，所述疲劳损伤确定方法还包括：

在三桩基础表面施加壳单元；

在第一桩、第二桩、第三桩的基顶以及承台的基顶分别建立载荷伞，以经由所建立的载荷伞的传递，提取三桩基础的不同位置处在各局部坐标系的多种单位载荷作用下的应力应变信息，

其中，不同位置处指在每个壳单元处或者在有限元模型的每个节点处。

15.如权利要求12-14中的任意一项所述的疲劳损伤确定方法，其特征在于，所述多种单位载荷包括来自不同方向的力和弯矩，

其中，来自不同方向的力和弯矩包括：±F_x、±F_y、±F_z、±M_x、±M_y、±M_z，其中，F_x表示第一预定方向上的力，F_y表示第二预定方向上的力，F_z表示第三预定方向上的力，M_x表示第一预定方向上的弯矩，M_y表示第二预定方向上的弯矩，M_z表示第三预定方向上的弯矩。

16.如权利要求13所述的疲劳损伤确定方法，其特征在于，获取在三桩基础的底部的疲劳时序载荷的步骤包括：获取在塔底处以及在第一桩底处、第二桩底处、第三桩底处的疲劳时序载荷。

17.如权利要求12所述的疲劳损伤确定方法，其特征在于，对获取的疲劳时序载荷进行坐标转换，获得所述局部坐标系下的疲劳时序载荷的步骤包括：

将获取的疲劳时序载荷相对于全局坐标系z轴旋转，根据三角函数关系得到所述局部坐标系下的多种疲劳时序载荷。

18.如权利要求12所述的疲劳损伤确定方法，其特征在于，基于所述多个应力分量计算三桩基础的不同位置处的应力谱，并基于三桩基础的不同位置处的应力谱计算三桩基础的疲劳强度安全系数的步骤包括：

基于所述多个应力分量采用临界平面法计算三桩基础的不同位置处的应力谱；

对三桩基础的不同位置处的应力谱进行雨流统计，结合S-N曲线计算三桩基础的疲劳强度安全系数。

19.如权利要求12所述的疲劳损伤确定方法，三桩基础的疲劳强度安全系数包括三桩基础的母材的疲劳强度安全系数和三桩基础的焊缝的疲劳强度安全系数。

20.如权利要求19所述的疲劳损伤确定方法，其特征在于，根据所述局部坐标系下的疲劳时序载荷和所述应力应变信息，计算三桩基础的不同位置处在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量的步骤包括：

根据三桩基础的焊缝的类型，确定与焊缝的焊趾位置对应的外推参考点的位置；

根据所述应力应变信息，确定外推参考点在局部坐标系的疲劳时序载荷作用下的多个应力分量；

根据外推参考点的多个应力分量推算焊缝的焊趾位置的多个应力分量，

其中，基于所述多个应力分量计算三桩基础的不同位置处的应力谱，并基于三桩基础的不同位置处的应力谱计算三桩基础的疲劳强度安全系数的步骤包括：

基于焊趾位置的多个应力分量计算焊趾位置处的应力谱，并基于焊趾位置处的应力谱计算焊缝的疲劳强度安全系数。

21.如权利要求20所述的疲劳损伤确定方法，其特征在于，在焊趾位置建立第五局部坐标系，第五局部坐标系的X轴平行于焊缝，Y轴垂直于焊缝，

其中，外推参考点的多个应力分量包括外推参考点的第五局部坐标系下的垂直于焊缝的正应力、平行于焊缝的正应力和平行于焊缝的切应力。

22.如权利要求21所述的疲劳损伤确定方法，其特征在于，当焊缝包含多个焊趾位置时，在每个焊趾位置处分别建立第五局部坐标系，

其中，计算焊缝的疲劳强度安全系数的步骤包括：

基于每个焊趾位置处的应力谱分别计算焊缝的疲劳强度安全系数，将最大的疲劳强度安全系数作为焊缝的最终疲劳强度安全系数。

23.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求12-22中的任意一项所述的三桩基础的疲劳损伤确定方法。

24.一种计算装置，其特征在于，所述计算装置包括：

处理器；

存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求12-22中的任意一项所述的三桩基础的疲劳损伤确定方法。

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