CN112800560B - 海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法及装置,该方法包括:将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图,确定换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点,提取最大应力点对应的应力时程数据;根据应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数;根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S‑N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果。
Description
技术领域
本发明涉及柔直换流阀技术领域,特别涉及一种海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法及装置。
背景技术
近年来,陆上风电得到了迅速的发展,但同时由于资源条件、建设用地、电网条件、环境保护等因素对陆上风电的制约也越来越明显,海上风电将是今后风电发展的方向和趋势。随着风电场向远海发展,目前的交流并网方式,很难满足风电场的发展需要。因此,迫切需要采用更加灵活、经济、环保、安全的输电方式解决以上问题。
柔性直流输电是基于全控型电力电子器件组成的电压源换流器所构成的新一代直流输电技术,其在提高电力系统稳定性,改善电能质量,解决非线性负荷、冲击性负荷对系统的影响,实现远距离输电,保证敏感设备供电等方面都具有较强的技术优势,特别适用于可再生能源并网、海上平台及孤岛供电、大型城市电网供电等应用场合。采用柔性直流输电技术可以将海上风电场与陆地电网相连接,实现海上风电的远距离并网。
海上柔直换流阀处于海上平台上,平台长期受到随机风、波、流以及工作载荷的作用,特别是波浪载荷是一种变化的载荷,在交变载荷作用下,换流阀结构材料内将产生随时间变化的应力,材料抵抗这种交变应力的能力将随着应变波动次数的累加而降低,就会产生疲劳损伤。当疲劳损伤累积到一定程度,换流阀就可能发生疲劳破坏,影响海上柔性直流输电系统的稳定运行,现有技术缺乏对海上柔直换流阀的疲劳寿命评估,难以检验换流阀的设计是否满足使用年限下的安全要求。
针对上述问题,目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供一种海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法,用于准确的评估海上柔直换流阀的疲劳寿命,该方法包括:
将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图;
根据换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图,确定换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点;
提取换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点对应的应力时程数据;
根据所述应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数;
根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比;
根据换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果。
本发明实施例提供一种海上柔直换流阀的疲劳寿命评估装置,用于准确的评估海上柔直换流阀的疲劳寿命,该装置包括:
应力包络图输出模块,用于将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图;
最大应力点确定模块,用于根据换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图,确定换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点;
应力时程数据确定模块,用于提取换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点对应的应力时程数据;
应力幅与循环次数确定模块,用于根据所述应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数;
等效损伤值与荷载效应比确定模块,用于根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比;
疲劳寿命评估模块,用于根据换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果。
本发明实施例还提供了一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,处理器执行计算机程序时实现上述海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质存储有执行上述海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法的计算机程序。
本发明实施例通过:将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图;根据换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图,确定换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点;提取换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点对应的应力时程数据;根据应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数;根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比;根据换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果,本发明基于换流阀阀塔结构的有限元模型进行数值模拟,结合疲劳分析理论实现了换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命的准确评估,对柔直换流阀海上应用具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中:
图1为本发明实施例中海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法流程的示意图;
图2为本发明实施例中换流阀阀塔结构有限元模型的示意图;
图3为本发明实施例中确定换流阀阀塔结构承受的波浪载荷流程的示意图;
图4为本发明实施例中文圣常谱的示意图;
图5为本发明实施例中换流阀遭受的10s加速度时程的示意图;
图6为本发明实施例中海上柔直换流阀的疲劳寿命评估装置结构的示意图
图7为本发明实施例中具体实施例流程的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本领域技术技术人员知道,本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、方法或计算机程序产品。因此,本发明公开可以具体实现为以下形式,即:完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等),或者硬件和软件结合的形式。
为了解决现有技术缺乏对海上柔直换流阀的疲劳寿命评估,难以检验换流阀的设计是否满足使用年限下的安全要求的技术问题,本发明实施例提供一种海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法,用于准确的评估海上柔直换流阀的疲劳寿命,图1为本发明实施例中海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法流程的示意图,如图1所示,该方法包括:
步骤101:将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图;
步骤102:根据换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图,确定换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点;
步骤103:提取换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点对应的应力时程数据;
步骤104:根据所述应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数;
步骤105:根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比;
步骤106:根据换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果。
如图1所示,本发明实施例通过:将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图;根据换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图,确定换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点;提取换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点对应的应力时程数据;根据应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数;根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比;根据换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果,本发明基于换流阀阀塔结构的有限元模型进行数值模拟,结合疲劳分析理论实现了换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命的准确评估,对柔直换流阀海上应用具有重要意义。
在一个实施例中,换流阀阀塔结构各个部件包括:底部支柱绝缘子、层间支柱绝缘子、裂间绝缘子、拉杆绝缘子、绝缘工字梁和工字钢;
换流阀阀塔结构各个部件的力学参数包括:弹性模量、泊松比、密度和许用应力的其中之一或任意组合。
具体实施时,在执行步骤101之前,需要执行如下准备工作:首先,基于ANSYS软件建立换流阀阀塔结构有限元模型,图2为本发明实施例中换流阀阀塔结构有限元模型的示意图,如图2所示,换流阀阀塔结构有限元模型的子模块用壳单元模拟,其余部分用梁单元模拟,整个阀塔结构有限元模型共划分了64112个各类单元,共有55984个节点,换流阀阀塔结构各个部件包括:底部支柱绝缘子1、层间支柱绝缘子2、裂间绝缘子3、拉杆绝缘子4、绝缘工字梁5和工字钢6;然后,查阅换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及S-N曲线参数,其中,换流阀阀塔结构各个部件的力学参数包括:弹性模量、泊松比、密度和许用应力,S-N曲线参数包括存活率在50%、90%、95%、99%、99.8%时各个部件S-N曲线的斜率参数m′和疲劳常数S0;最后需要计算换流阀阀塔结构承受的波浪载荷。
下面介绍本发明实施例中计算换流阀阀塔结构承受的波浪载荷的具体过程。
图3为本发明实施例中确定换流阀阀塔结构承受的波浪载荷流程的示意图,如图3所示,在一个实施例中,在步骤101将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入换流阀阀塔结构的有限元模型之前,还包括:按照如下方式确定换流阀阀塔结构承受的波浪载荷:
步骤301:根据工况需求,确定海上波浪载荷的波力谱;
步骤302:根据海上波浪载荷的波力谱,以及换流阀阀塔所在平台结构的位移频率响应函数,确定换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱;
步骤303:根据换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱,确定换流阀阀塔所在平台结构的加速度功率谱;
步骤304:根据换流阀阀塔所在平台结构的加速度功率谱,基于谐波叠加,确定换流阀阀塔结构承受的波浪载荷。
在一个实施例中,步骤302中,根据海上波浪载荷的波力谱,以及换流阀阀塔所在平台结构的位移频率响应函数,确定换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱,包括:按照如下公式(1)确定换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱:
SU(ω)=|H(ω)|2 SF(ω) (1)
其中,SU(ω)为换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱,SF(ω)为海上波浪载荷的波力谱,ω为波浪频率,|H(ω)|2为换流阀阀塔所在平台结构的位移频率响应函数,M为换流阀阀塔所在平台结构的等效质量,ξ为阻尼比,ωr为换流阀阀塔所在平台结构的自振频率。
具体实施时,首先基于工况需求,确定海上波浪载荷的波力谱,本发明实施例采用的海上波浪载荷的波力谱为文圣常谱,如图4所示,文圣常谱是利用我国近海四个海域:渤海、东海、黄海和南海等观测资料进行系统的检验得到的。
然后,由于波浪对换流阀的影响直接表现在对其下部海洋平台结构的影响,在随机波浪中平台结构的主要位移是沿波浪传播方向的水平位移,因此,在一定精度范围内,可以把波浪激振力引起的平台结构上部甲板的动水平位移U计算模型简化为单自由度结构系统,对于单自由度结构系统,海上波浪载荷的波力谱密度SF(ω)与换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱之间的关系如公式(1)所示,根据公式(1)即可计算得到换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱。
接着,依据上述理论得到换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱后,根据其与加速度功率谱的关系,可以得到换流阀阀塔所在平台结构的加速度功率谱,最后依据谐波叠加法可以模拟出波浪间接性导致的换流阀遭受的加速度时程,得到换流阀阀塔结构承受的波浪载荷。具体的,计算中先模拟10s的加速度时程,换流阀遭受的10s加速度时程如图5所示,换流阀所受10s加速度时程依据海洋平台结构自振频率为4.40rad/s的位移功率谱得到。
这样就将海上波浪载荷的波力谱,基于换流阀阀塔所在平台结构的位移频率响应函数,以及谐波叠加法,折算到了换流阀阀塔结构承受的波浪载荷。
步骤101中,可以将上述得到的换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入到ANSYS软件中预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型进行数值模拟计算,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图,步骤102中,对于换流阀阀塔结构,由于其各个部件的材料组成不同,需要找出各个部位中最容易发生疲劳破坏的点作为疲劳分析点,因此可以提取换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点对应的应力时程数据作为疲劳分析点,通过ANSYS软件对各个部件进一步细化可以确定最大应力点在各个部件的具体分布部位置,如表1所示。
表1最大应力点在各个部件的具体分布部位置
在一个实施例中,步骤104中,根据所述应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,包括:
根据换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点的应力时程曲线,采用雨流计数法提取换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅与应力幅对应的循环次数。
具体实施时,步骤103中,可以对换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点进行应力时程曲线提取,步骤104中,可以根据应力时程曲线,采用雨流计数法从应力时程数据中提取换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅与应力幅对应的循环次数。
在一个实施例中,步骤105中,根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,包括:
按照如下公式(2)确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值:
式中,D为等效损伤值,Se为等效循环荷载,Ne为Se对应的额定循环次数,ne为Se对应的实际循环次数,Si为多个应力幅,Ni为Si对应的额定循环次数,ni为Si对应的实际循环次数,S0为S-N曲线的常参数,m′为S-N曲线的斜率;
按照如下公式(3)确定换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比:
式中,Pi为荷载效应比,Se为等效循环荷载,Sc为设计荷载产生的应力幅。
下面介绍上述公式(2),疲劳特性可以通过等效损伤值DEL来具体描述。一种材料的疲劳强度可以用S-N曲线表示:
式中,S为荷载,N为在荷载S作用下的循环次数,S0为常数,m′为S-N曲线斜率参数。
依据Miner准则,损伤D可以由一系列的荷载Si和对应的循环次数ni获得。同理,等效损伤值DEL可以由等效荷载Se和等效循环次数ne获得,由此可以得出公式(2)。
下面介绍上述公式(3),为便于实际应用,给出荷载效应比和等效应力换算系数的定义:疲劳荷载产生的等效荷载Se与某一标准荷载(如设计荷载)产生的应力幅Sc之比为荷载效应比,如公式(3)所示,应力幅Sc是指当构件或构造细节经历了N次(N指构件在使用期内的所有幅值的总的次数)循环之后,依据S-N曲线确定的达到这个次数N破坏的应力幅。
步骤105中,可以将换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,代入上述公式(2)、公式(3),计算换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,如表2和表3所示。
表2换流阀各部件等效损伤值
表3换流阀各部位荷载效应比
在一个实施例中,步骤106中,根据换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果,包括:
将换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值与第一预设阈值进行比较,将换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比与第二预设阈值进行比较;
在换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值小于第一预设阈值,或换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比小于第二预设阈值时,确定换流阀阀塔结构各个部件的在当前使用年限下满足安全裕度要求。
具体实施时,步骤106中,在确定了换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比之后,可以分析各个部件的疲劳损伤,将换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值与第一预设阈值进行比较,第一预设阈值可以是1,若各个部件的等效损伤值均小于1,认为各个部件位在服役年限下有较大安全裕度,同理,从荷载效应比角度进行评价,将换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比与第二预设阈值进行比较,第二预设阈值可以是1,若各个部件的荷载效应比均小于1,同样可以认为各个部件位在服役年限下有较大安全裕度,这样就实现了换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命的准确评估。
基于同一发明构思,本发明实施例中还提供了一种海上柔直换流阀的疲劳寿命评估装置,如下面的实施例。由于海上柔直换流阀的疲劳寿命评估装置解决问题的原理与海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法相似,因此装置的实施可以参见方法的实施,重复之处不再赘述。以下所使用的,术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现,但是硬件,或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
本发明实施例提供一种海上柔直换流阀的疲劳寿命评估装置,用于准确的评估海上柔直换流阀的疲劳寿命,图6为本发明实施例中海上柔直换流阀的疲劳寿命评估装置结构的示意图,如图6所示,该装置包括:
应力包络图输出模块01,用于将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图;
最大应力点确定模块02,用于根据换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图,确定换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点;
应力时程数据确定模块03,用于提取换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点对应的应力时程数据;
应力幅与循环次数确定模块04,用于根据所述应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数;
等效损伤值与荷载效应比确定模块05,用于根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比;
疲劳寿命评估模块06,用于根据换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果。
在一个实施例中,该装置还包括:波浪载荷确定模块07,用于:
在将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入换流阀阀塔结构的有限元模型之前,按照如下方式确定换流阀阀塔结构承受的波浪载荷:
根据工况需求,确定海上波浪载荷的波力谱;
根据海上波浪载荷的波力谱,以及换流阀阀塔所在平台结构的位移频率响应函数,确定换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱;
根据换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱,确定换流阀阀塔所在平台结构的加速度功率谱;
根据换流阀阀塔所在平台结构的加速度功率谱,基于谐波叠加,确定换流阀阀塔结构承受的波浪载荷。
在一个实施例中,波浪载荷确定模块07进一步用于:按照如下方式确定换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱:
SU(ω)=|H(ω)|2SF(ω);
其中,SU(ω)为换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱,SF(ω)为海上波浪载荷的波力谱,ω为波浪频率,|H(ω)|2为换流阀阀塔所在平台结构的位移频率响应函数,M为换流阀阀塔所在平台结构的等效质量,ξ为阻尼比,ωr为换流阀阀塔所在平台结构的自振频率。
在一个实施例中,换流阀阀塔结构各个部件包括:底部支柱绝缘子、层间支柱绝缘子、裂间绝缘子、拉杆绝缘子、绝缘工字梁和工字钢;
换流阀阀塔结构各个部件的力学参数包括:弹性模量、泊松比、密度和许用应力的其中之一或任意组合。
在一个实施例中,应力幅与循环次数确定模块04具体用于:
根据换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点的应力时程曲线,采用雨流计数法提取换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅与应力幅对应的循环次数。
在一个实施例中,等效损伤值与荷载效应比确定模块05具体用于:
按照如下方式确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值:
式中,D为等效损伤值,Se为等效循环荷载,Ne为Se对应的额定循环次数,ne为Se对应的实际循环次数,Si为多个应力幅,Ni为Si对应的额定循环次数,ni为Si对应的实际循环次数,S0为S-N曲线的常参数,m′为S-N曲线的斜率;
按照如下方式确定换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比:
式中,Pi为荷载效应比,Se为等效循环荷载,Sc为设计荷载产生的应力幅。
在一个实施例中,疲劳寿命评估模块06具体用于:
将换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值与第一预设阈值进行比较,将换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比与第二预设阈值进行比较;
在换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值小于第一预设阈值,或换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比小于第二预设阈值时,确定换流阀阀塔结构各个部件的在当前使用年限下满足安全裕度要求。
本发明实施例还提供了一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,处理器执行计算机程序时实现上述海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质存储有执行上述海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法的计算机程序。
下面举一个具体的例子,以便于理解本发明如何实施。
图7为本发明实施例中具体实施例流程的示意图,如图7所示,包括如下步骤:
第一步:基于ANSYS软件建立换流阀阀塔结构有限元模型;
第二步:查阅换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及S-N曲线参数;
第三步:基于工况需求,确定海上波浪载荷的波力谱,根据公式(1)计算换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱,根据其与加速度功率谱的关系,得到换流阀阀塔所在平台结构的加速度功率谱,依据谐波叠加法模拟出波浪间接性导致的换流阀遭受的加速度时程,得到换流阀阀塔结构承受的波浪载荷;
第四步:将第二步得到的换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及第三步得到的换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入到第一步预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型进行数值模拟计算,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图;
第五步:对换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点进行应力时程曲线提取;
第六步:根据应力时程曲线,采用雨流计数法提取换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅与应力幅对应的循环次数;
第七步:将换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,代入公式(2)、公式(3),计算换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比;
第八步:判断换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值是否小于1,若各个部件的等效损伤值均小于1,认为各个部件位在服役年限下有较大安全裕度,同理,判断换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比是否小于1,若各个部件的荷载效应比均小于1,,认为各个部件位在服役年限下有较大安全裕度。
综上所述,本发明实施例通过:将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图;根据换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图,确定换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点;提取换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点对应的应力时程数据;根据应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数;根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比;根据换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果,本发明基于换流阀阀塔结构的有限元模型进行数值模拟,结合疲劳分析理论实现了换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命的准确评估,对柔直换流阀海上应用具有重要意义。
本领域内的技术人员应明白,本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种海上柔直换流阀的疲劳寿命评估方法,其特征在于,包括:
将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图;
根据换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图,确定换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点;
提取换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点对应的应力时程数据;
根据所述应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数;
根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比;
根据换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果;
在将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入换流阀阀塔结构的有限元模型之前,还包括:按照如下方式确定换流阀阀塔结构承受的波浪载荷:
根据工况需求,确定海上波浪载荷的波力谱;
根据海上波浪载荷的波力谱,以及换流阀阀塔所在平台结构的位移频率响应函数,确定换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱;
根据换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱,确定换流阀阀塔所在平台结构的加速度功率谱;
根据换流阀阀塔所在平台结构的加速度功率谱,基于谐波叠加,确定换流阀阀塔结构承受的波浪载荷;
根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,包括:
按照如下方式确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值:
式中,D为等效损伤值,Se为等效循环荷载,Ne为Se对应的额定循环次数,ne为Se对应的实际循环次数,Si为多个应力幅,Ni为Si对应的额定循环次数,ni为Si对应的实际循环次数,S0为S-N曲线的常参数,m′为S-N曲线的斜率;
按照如下方式确定换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比:
式中,Pi为荷载效应比,Se为等效循环荷载,Sc为设计荷载产生的应力幅;
根据换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果,包括:
将换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值与第一预设阈值进行比较,将换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比与第二预设阈值进行比较;
在换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值小于第一预设阈值,或换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比小于第二预设阈值时,确定换流阀阀塔结构各个部件的在当前使用年限下满足安全裕度要求。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述换流阀阀塔结构各个部件包括:底部支柱绝缘子、层间支柱绝缘子、裂间绝缘子、拉杆绝缘子、绝缘工字梁和工字钢;
换流阀阀塔结构各个部件的力学参数包括:弹性模量、泊松比、密度和许用应力的其中之一或任意组合。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,根据所述应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,包括:
根据换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点的应力时程曲线,采用雨流计数法提取换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅与应力幅对应的循环次数。
5.一种海上柔直换流阀的疲劳寿命评估装置,其特征在于,包括:
应力包络图输出模块,用于将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入预先建立的换流阀阀塔结构的有限元模型,输出换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图;
最大应力点确定模块,用于根据换流阀阀塔结构各个部件的应力包络图,确定换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点;
应力时程数据确定模块,用于提取换流阀阀塔结构各个部件的最大应力点对应的应力时程数据;
应力幅与循环次数确定模块,用于根据所述应力时程数据,确定换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数;
等效损伤值与荷载效应比确定模块,用于根据换流阀阀塔结构各个部件最大应力点的应力幅和应力幅对应的循环次数,以及S-N曲线参数,确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比;
疲劳寿命评估模块,用于根据换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值和荷载效应比,确定换流阀阀塔结构各个部件的疲劳寿命评估结果;
所述装置还包括:波浪载荷确定模块,用于:
在将换流阀阀塔结构各个部件的力学参数,以及换流阀阀塔结构承受的波浪载荷,输入换流阀阀塔结构的有限元模型之前,按照如下方式确定换流阀阀塔结构承受的波浪载荷:
根据工况需求,确定海上波浪载荷的波力谱;
根据海上波浪载荷的波力谱,以及换流阀阀塔所在平台结构的位移频率响应函数,确定换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱;
根据换流阀阀塔所在平台结构的位移功率谱,确定换流阀阀塔所在平台结构的加速度功率谱;
根据换流阀阀塔所在平台结构的加速度功率谱,基于谐波叠加,确定换流阀阀塔结构承受的波浪载荷;
所述等效损伤值与荷载效应比确定模块具体用于:
按照如下方式确定换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值:
式中,D为等效损伤值,Se为等效循环荷载,Ne为Se对应的额定循环次数,ne为Se对应的实际循环次数,Si为多个应力幅,Ni为Si对应的额定循环次数,ni为Si对应的实际循环次数,S0为S-N曲线的常参数,m′为S-N曲线的斜率;
按照如下方式确定换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比:
式中,Pi为荷载效应比,Se为等效循环荷载,Sc为设计荷载产生的应力幅;
所述疲劳寿命评估模块具体用于:
将换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值与第一预设阈值进行比较,将换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比与第二预设阈值进行比较;
在换流阀阀塔结构各个部件的等效损伤值小于第一预设阈值,或换流阀阀塔结构各个部件的荷载效应比小于第二预设阈值时,确定换流阀阀塔结构各个部件的在当前使用年限下满足安全裕度要求。
6.一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4任一所述方法。
7.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至4任一所述方法的计算机程序。
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