CN112685939A - 一种基于实测的海上风力机基础疲劳损伤分析方法 - Google Patents

Abstract

一种基于实测的海上风力机基础疲劳损伤分析方法，属于海洋新能源装备安全保障领域。该方法基于海洋风力机基础结构现场监测系统，获取结构响应信息，并在结构动力学理论分析的基础上，采用有限元分析，建立热点应力响应特征参数与结构水面以上振动响应特征参数之间的数学关系模型。本发明方法面向在役海上风电场，通过对风电基础结构振动响应的现场监测，间接评估结构疲劳累积损伤；无需人员进行水下检测，操作简便，经济性更好；本发明是基于现场监测的一种从实测振动响应到疲劳损伤评估的方法，通过结构响应数学模型的建立，再运用损伤的线性累积理论和S‑N曲线得到结构在短期内的损伤程度，提高多环境荷载联合作用下疲劳损伤评估精度，有利于海上风电场的安全运维。

Description

一种基于实测的海上风力机基础疲劳损伤分析方法

技术领域

本发明属于海洋新能源装备安全保障领域，涉及一种基于现场实测的海上风力机基础的疲劳损伤及寿命分析方法。

背景技术

随着经济的高速发展，传统能源危机问题日渐严重，海洋风能作为清洁无污染可再生的资源可以有效解决能源短缺危机问题，因此海上风力发电引起了世界各国的重视。风力机基础作为海上风电的支撑结构，一直处于复杂的海洋环境中，风、浪、流以及寒区海冰与基础结构相互作用产生长期的交变荷载，对结构造成不同程度的损伤，从而严重降低基础结构的疲劳寿命。

海上风力机基础结构疲劳损伤的准确、快速评估是保障海上风力发电机组安全运行的重要手段。截止目前，海洋结构物的疲劳损伤及寿命评估方法主要包括基于荷载时程分析疲劳寿命计算、基于谱分析的疲劳寿命计算以及基于结构损伤检测的损伤程度评估。时程分析方法基于获取的不同工况下的荷载时程，分析时工作量大，耗时多；谱分析方法主要面向整体剩余寿命估计，需要明确荷载长期分布规律，对短期以及复杂荷载耦合下的疲劳损伤评估准确性较低；而结构的损伤检测主要针对结构固定位置、固定时间点的损伤程度识别，而结构热点应力位置一般位于水面以下，检测时可行性较差，成本相对较高。因此，如何快捷、精确的评估结构的疲劳损伤对海上风电场的安全运维具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于现场实测结构振动响应间接评估风力机基础疲劳损伤的方法。该方法根据结构动力学理论，采用有限元分析，建立水面以上结构的振动响应(位移、速度或加速度)特征参数与热点应力响应参数之间近似关系的数学模型；依托海上风力机基础结构振动响应进行现场监测系统，实时获取结构位移、速度或加速度响应信息，并对采集数据进行处理分析得到特征参数，带入建立的数学模型，得到风力机基础热点位置(水面以下)的应力响应水平；最后结合线性累计损伤理论及S-N曲线进一步得到结构疲劳损伤程度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下。

一种基于实测的海上风力机基础疲劳损伤分析方法，包括以下步骤：

第一步：明确海上风力机基础结构热点位置及疲劳应力响应信息；

首先，对海上风力机基础结构力学特性进行分析，海上风力机属于细长高耸结构，可以将其力学模型简化为一端为集中质量的悬臂梁；基于现场实测数据和理论分析，风力机基础结构振动响应主要集中在一阶模态，即平面内的摆动。因此，海上风力机基础结构各位置响应存在一定的近似线性关系。面向海上风力机基础安全保障需求的现场监测系统可以全面获取风力机基础环境条件、荷载及结构响应信息；该监测系统包含的振动传感器可以获取结构振动的响应数据，为风力机基础结构的疲劳损伤计算分析提供数据支持。

其次，使用ANSYS仿真软件建立海上风力机基础结构的有限元模型，进行结构瞬态动力学分析，将荷载时程或实测得到的结构振动响应数据作为输入，得到结构的疲劳热点位置及相应的应力响应数据。

第二步：分析风力机基础结构振动响应数据和热点应力响应数据的特征参数，并建立两者的数学关系模型；

基于大量有限元数值模拟，获得风力机基础结构振动响应及热点应力响应的时间历程数据。结构热点应力的幅值和循环次数是计算结构疲劳损伤的重要参数，因此分析时选取幅值标准差σ和循环次数n为特征参数，确定结构振动响应与热点应力之间数学关系模型。

分析得到振动加速度响应幅值标准差σ_acc与热点应力响应幅值标准差σ_s存在线性关系σ_acc＝Aσ_s+B；振动加速度响应循环次数n_acc与热点应力响应循环次数n_s存线性关系n_acc＝Cn_s+D。其中A、B、C、D为常数系数。

第三步：计算结构疲劳损伤；

通过第二步计算可以得到热点应力响应幅值标准差σ_s及循环次数n_s，下面计算结构对应的疲劳损伤值。

在已知应力幅值标准差σ_s后，应用基于高斯分布的损伤定律三区间法更准确的计算σ_s对应的应力幅所造成的损伤。根据高斯分布，在应力区间±1σ_s、±1σ_s～±2σ_s、±2σ_s～±3σ_s内发生的概率分别为68.26％、27.19％、4.48％，对于±3σ_s之外的应力发生的概率很小，因此可以忽略，且假定其不造成任何损伤。在进行疲劳计算时，将应力标准差处理成上述3个水平，则第i个情况下结构的疲劳损伤计算公式可写为：

式中

分别为1σ_s、2σ_s、3σ_s对应的实际循环次数，

分别是1σ_s、2σ_s、3σ_s对应的其对结构造成疲劳破坏所需要的最大循环次数。

此外，为了准确得到不同应力幅对结构造成的总的疲劳损伤，需要将结构热点的每一个应力幅造成的疲劳损伤累加起来。本发明采用的是Miner线性累计损伤理论及材料S-N曲线。Miner线性累计损伤理论即对于一个结构在多级横幅循环应力载荷的作用下所产生的疲劳损伤，与每一个应力幅独立作用所产生的疲劳损伤的和相等，计算公式为：

其中，D为结构的总损伤；D_i为第i个应力幅对结构造成的损伤；N_i为第i个应力幅对结构造成疲劳破坏所需要的循环次数；n_i为第i个应力幅实际的循环次数；k为应力幅的个数。

每一个应力幅对结构造成疲劳破坏所需要的最大循环次数是基于材料S-N曲线确定的。S-N曲线采用美国石油学会(API)提供的海上常用钢材疲劳曲线，该曲线可以代表海洋工程结构材料的疲劳特性，并且充分考虑随机载荷的影响。S-N曲线的数学表达形式为：

N＝2×10⁶(Δσ/Δσ_ref)^-m (3)

其中，△σ为应力值；△σ_ref为极限应力幅，取79MPa；m系数，取3.74；N为△σ应力幅对结构造成疲劳破坏所需要的最大循环次数。

在实际疲劳损伤计算时，将实测的风力机基础结构的振动响应时程数据分析处理，得到加速度响应幅值标准差及循环次数，代入第二步建立的数学模型，得到热点应力响应幅值标准差和循环次数，再结合公式(1)、(2)和(3)，最后得到结构疲劳热点位置的疲劳损伤。

本发明主要是面向在役的海上风电场，通过对海上风力机基础结构振动响应的现场监测，间接评估结构在一段时间内的疲劳累积损伤。

综合上述分析，本发明提出的采用实测振动响应信息进行结构疲劳损伤评估的分析方法，与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)与传统的无损检测的方法相比，本发明提出的方法无需人员进行水下检测，操作简便，经济性好；

2)与现有的基于振动响应的检测技术相比，本发明能有效避免对模态的错误识别，可以更为准确的得到结构在一段时间内损伤程度；

3)本发明方法避免考虑复杂环境荷载的多工况分析，与传统模拟分析相比，提高多环境荷载联合作用下疲劳损伤评估精度，在工程应用方面更加方便合理。

附图说明

图1为海上风力机基础现场监测系统示意图；

图2为基于实测的风机基础疲劳损伤分析流程；

图3为有限元模型图；

图4为结构应力响应图；

图5为拟合的响应幅值标准差关系图；

图6为拟合的响应循环次数关系图。

具体实施方式

以下结合具体实例对本发明做进一步说明。

第一步：明确海上风力机基础结构热点位置及疲劳应力响应信息；

首先，对海上风力机基础结构力学特性进行分析，海上风力机属于细长高耸结构，可以将其力学模型简化为一端为集中质量的悬臂梁；基于现场实测数据和理论分析，风力机基础结构振动响应主要集中在一阶模态，即平面内的摆动。因此，海上风力机基础结构各位置响应存在一定的近似线性关系。面向海上风力机基础安全保障需求的现场监测系统可以全面获取风力机基础环境条件、荷载及结构响应信息；该监测系统包含的振动传感器可以获取结构振动的响应数据，为风力机基础结构的疲劳损伤计算分析提供数据支持。

其次，使用ANSYS仿真软件建立海上风力机基础结构的有限元模型，进行结构瞬态动力学分析，将荷载时程或实测得到的结构振动响应数据作为输入，得到结构的疲劳热点位置及相应的应力响应数据。

分析时以某单桩风力机基础为例，由于没有足够多的实测振动响应数据，这里选取不同荷载工况时程作为输入。使用ANSYS进行动力学分析后得到结构响应时程数据，由于结果数据过多，这里截取某荷载工况下的振动加速度和应力响应数据(约10秒)，如表1所示。

表1部分响应数据

表中a为加速度值，单位m/s²，σ为应力值，单位MPa。

第二步：分析风力机基础结构振动响应数据和热点应力响应数据的特征参数，并建立两者的数学关系模型；

基于大量有限元数值模拟，获得风力机基础结构振动响应及热点应力响应的时间历程数据。结构热点应力的幅值和循环次数是计算结构疲劳损伤的重要参数，因此分析时选取幅值标准差σ和循环次数n为特征参数，确定结构振动响应与热点应力之间数学关系模型。

分析处理所有数据，得到振动加速度响应幅值标准差σ_acc与热点应力响应幅值标准差σ_s如表2所示；得到振动加速度响应循环次数n_acc与热点应力响应循环次数n_s如表3所示。经过数据拟合处理得到其线性关系为：幅值标准差σ_s＝34.59565σ_acc+0.44688，循环次数n_s＝1.06832n_acc+3.12046。

表2响应幅值标准差汇总数据

σ<sub>acc</sub>(m/s<sup>2</sup>)	σ<sub>s</sub>(MPa)	σ<sub>acc</sub>(m/s<sup>2</sup>)	σ<sub>s</sub>(MPa)
				0.0120	0.4425	0.3830	13.1591
0.0436	4.7754	0.0057	0.0372
				0.1026	3.8530	0.0226	1.7544
0.2003	5.0584	0.0831	4.2091
				0.2434	11.0189	0.1444	6.5501
0.3735	14.4305	0.2346	6.0913
				0.0134	0.6795	0.2362	8.0921
0.0381	1.3092	0.0075	0.2100
				0.1212	4.1641	0.0408	1.7227
0.0129	0.5451	0.0300	1.1155
				0.0424	2.1158	0.1339	6.7856
0.1029	2.7410	0.1869	7.0846
				0.1205	4.1281	0.3250	10.2478
0.2650	10.3613	0.2994	12.1500

表3响应循环次数汇总数据

第三步：计算结构疲劳损伤；

通过第二步计算可以得到热点应力响应幅值标准差σ_s及循环次数n_s，下面计算结构对应的疲劳损伤值。

在已知应力幅值标准差σ_s后，应用基于高斯分布的损伤定律三区间法更准确的计算σ_s对应的应力幅所造成的损伤。根据高斯分布，在应力区间±1σ_s、±1σ_s～±2σ_s、±2σ_s～±3σ_s内发生的概率分别为68.26％、27.19％、4.48％，对于±3σ_s之外的应力发生的概率很小，因此可以忽略，且假定其不造成任何损伤。在进行疲劳计算时，将应力标准差处理成上述3个水平，则第i个情况下结构的疲劳损伤计算公式可写为：

式中

分别为1σ_s、2σ_s、3σ_s对应的实际循环次数，

分别是1σ_s、2σ_s、3σ_s对应的其对结构造成疲劳破坏所需要的最大循环次数。

此外，为了准确得到不同应力幅对结构造成的总的疲劳损伤，需要将结构热点的每一个应力幅造成的疲劳损伤累加起来。本发明采用的是Miner线性累计损伤理论及材料S-N曲线。Miner线性累计损伤理论即对于一个结构在多级横幅循环应力载荷的作用下所产生的疲劳损伤，与每一个应力幅独立作用所产生的疲劳损伤的和相等，计算公式为：

其中，D为结构的总损伤；D_i为第i个应力幅对结构造成的损伤；N_i为第i个应力幅对结构造成疲劳破坏所需要的循环次数；n_i为第i个应力幅实际的循环次数；k为应力幅的个数。

每一个应力幅对结构造成疲劳破坏所需要的最大循环次数是基于材料S-N曲线确定的。S-N曲线采用美国石油学会(API)提供的海上常用钢材疲劳曲线，该曲线可以代表海洋工程结构材料的疲劳特性，并且充分考虑随机载荷的影响。S-N曲线的数学表达形式为：

N＝2×10⁶(Δσ/Δσ_ref)^-m (3)

其中，△σ为应力值；△σ_ref为极限应力幅，取79MPa；m系数，取3.74；N为△σ应力幅对结构造成疲劳破坏所需要的最大循环次数。

在实际疲劳损伤计算时，假设得到实测风力机基础结构时间长度均为t(秒)的两段振动响应时程数据，可得到加速度响应幅值标准差及循环次数，代入第二步建立的数学模型，进而得到热点应力响应幅值标准差和循环次数，再结合公式(1)、(2)和(3)，最后得到结构疲劳热点位置的疲劳损伤。如表4所示。

表4案例计算结果

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于实测的海上风力机基础疲劳损伤分析方法，其特征在于，主要是面向在役的海上风电场，通过对海上风力机基础结构振动响应的现场监测，间接评估结构在一段时间内的疲劳累积损伤，包括以下步骤：

第一步：明确海上风力机基础结构热点位置及疲劳应力响应信息；

首先，对海上风力机基础结构力学特性进行分析，将其力学模型简化为一端为集中质量的悬臂梁；基于现场实测数据和理论分析，风力机基础结构振动响应主要集中在一阶模态，即平面内的摆动；因此，海上风力机基础结构各位置响应存在近似线性关系；通过现场监测系统获取风力机基础环境条件、荷载及结构响应信息；该监测系统包含的振动传感器可以获取结构振动的响应数据，为风力机基础结构的疲劳损伤计算分析提供数据支持；

其次，使用ANSYS仿真软件建立海上风力机基础结构的有限元模型，进行结构瞬态动力学分析，将荷载时程或实测得到的结构振动响应数据作为输入，得到结构的疲劳热点位置及相应的应力响应数据；

第二步：分析风力机基础结构振动响应数据和热点应力响应数据的特征参数，并建立两者的数学关系模型；

基于大量有限元数值模拟，获得风力机基础结构振动响应及热点应力响应的时间历程数据；分析时选取幅值标准差σ和循环次数n为特征参数，确定结构振动响应与热点应力之间数学关系模型；

分析得到振动加速度响应幅值标准差σ_acc与热点应力响应幅值标准差σ_s存在的线性关系为σ_acc＝Aσ_s+B；振动加速度响应循环次数n_acc与热点应力响应循环次数n_s的存线性关系为n_acc＝Cn_s+D；其中A、B、C、D为常数系数；

第三步：计算结构疲劳损伤；

通过第二步计算得到热点应力响应幅值标准差σ_s及循环次数n_s，再计算结构对应的疲劳损伤值；

在已知应力幅值标准差σ_s后，应用基于高斯分布的损伤定律三区间法更准确的计算σ_s对应的应力幅所造成的损伤；根据高斯分布，在应力区间±1σ_s、±1σ_s～±2σ_s、±2σ_s～±3σ_s内发生的概率分别为68.26％、27.19％、4.48％，对于±3σ_s之外的应力发生的概率小，因此可忽略，且假定其不造成任何损伤；在进行疲劳计算时，将应力标准差处理成上述3个水平，则第i个情况下结构的疲劳损伤计算公式可写为：

式中，

分别为1σ_s、2σ_s、3σ_s对应的实际循环次数，

分别是1σ_s、2σ_s、3σ_s对应的其对结构造成疲劳破坏所需要的最大循环次数；

此外，为了准确得到不同应力幅对结构造成的总的疲劳损伤，将结构热点的每一个应力幅造成的疲劳损伤累加起来；采用Miner线性累计损伤理论及材料S-N曲线；每一个应力幅对结构造成疲劳破坏所需要的最大循环次数是基于材料S-N曲线确定的；

在实际疲劳损伤计算时，将实测的风力机基础结构的振动响应时程数据分析处理，得到加速度响应幅值标准差及循环次数，代入第二步建立的数学模型，得到热点应力响应幅值标准差和循环次数，再结合公式(1)、Miner线性累计损伤理论及材料S-N曲线，最后得到结构疲劳热点位置的疲劳损伤。

2.根据权利要求1所述的一种基于实测的海上风力机基础疲劳损伤分析方法，其特征在于，所述的Miner线性累计损伤理论即对于一个结构在多级横幅循环应力载荷的作用下所产生的疲劳损伤，与每一个应力幅独立作用所产生的疲劳损伤的和相等，计算公式为：

其中，D为结构的总损伤；D_i为第i个应力幅对结构造成的损伤；N_i为第i个应力幅对结构造成疲劳破坏所需要的循环次数；n_i为第i个应力幅实际的循环次数；k为应力幅的个数。

3.根据权利要求1所述的一种基于实测的海上风力机基础疲劳损伤分析方法，其特征在于，所述的S-N曲线采用美国石油学会API提供的海上常用钢材疲劳曲线，该曲线能够代表海洋工程结构材料的疲劳特性，并且充分考虑随机载荷的影响；S-N曲线的数学表达形式为：

N＝2×10⁶(Δσ/Δσ_ref)^-m (3)

其中，△σ为应力值；△σ_ref为极限应力幅，取79MPa；m系数，取3.74；N为△σ应力幅对结构造成疲劳破坏所需要的最大循环次数。

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