CN113722950A - 一种风力机t型法兰锚栓疲劳强度校核方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，包括：建立包含T型法兰锚栓的风机塔底载荷传递至基础基体所需的有限元模型；设定有限元模型中的各部件属性及相互之间的接触关系，并设定有限元模型的边界条件，施加预紧力与对应工况的疲劳载荷极值；对有限元模型进行非线性求解，计算疲劳载荷与锚栓应力之间对应的函数关系；按照锚栓外载与应力之间的对应函数关系，对疲劳载荷的时序值进行处理，得到锚栓对应的应力值；计算锚栓疲劳S‑N曲线，进而对锚栓的疲劳强度进行校核。通过建立完整的载荷传递路径模型，摒弃了复杂的理论计算公式，以高效准确解决风力机T型法兰疲劳强度工程计算方法结果与锚栓的实际疲劳损伤有较大出入的技术问题。

Description

一种风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法
技术领域
本发明涉及风力发电设备检测技术领域，特别涉及一种风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法。
背景技术
我国是世界上风能较为丰富的国家之一，风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力。随着环保要求的不断提高以及“碳达峰、碳中和”战略的不断推进，具有节能减排特征的风能必将成为未来新能源发展的主要方向。
要将可再生的风能资源转换为电力资源，风力机是其中的关键设备。作为风机支撑结构的塔筒，需要将来自风轮、机舱及自身的载荷传递给基础，而锚栓作为连接塔筒与基础的重要组件，在其中起着至关重要的作用。
在现有的关于风机基础锚栓强度的校核方法中，主要采用工程方法，需要将锚栓及被连接件进行简化，其计算精度很难达到实际的工程要求。采用有限元方法，将螺栓及被连接件完整的模拟出来，形成锚栓所受载荷的完整传递路径，从而保证锚栓强度计算结果的真实可靠。
现有的锚栓疲劳计算工程方法，基于简化的线弹性体理论，将螺栓所受外载与螺栓应力之间的对应关系简化为两段线(正向区间)的形式，对塔筒T型法兰、垫片、上下锚板、高强灌浆层、基础基体等进行了理论简化，没有考虑相互之间的非线性接触关系。同时采用该方法需要进行复杂的理论计算从而得到锚栓及被连接件的刚度分项系数，进而求得螺栓所受外载与应力之间的对应函数关系，对于复杂的模型来说，计算得到的锚栓疲劳损伤值较实际有较大的出入，不能够真实的反映锚栓的疲劳损伤情况。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，通过建立完整的载荷传递路径模型，摒弃了复杂的理论计算公式，以高效准确解决风力机T型法兰疲劳强度工程计算方法结果与锚栓的实际疲劳损伤有较大出入的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，包括如下步骤：
建立包含T型法兰锚栓的风机塔底载荷传递至基础基体所需的有限元模型；
设定所述有限元模型中的各部件属性及相互之间的接触关系，并设定所述有限元模型的边界条件，施加预紧力与对应工况的疲劳载荷极值；
对所述有限元模型进行非线性求解，计算疲劳载荷与锚栓应力之间对应的函数关系；
按照锚栓外载与应力之间的对应函数关系，对所述疲劳载荷的时序值进行处理，得到所述锚栓对应的应力值；
计算所述锚栓疲劳S-N曲线，进而对所述锚栓的疲劳强度进行校核。
进一步地，所述建立包含T型法兰锚栓的风机塔底载荷传递至基础基体所需的有限元模型，包括：
建立包含风机塔筒、T型法兰、垫片、高强灌浆层、上锚板、下锚板和所述基础基体的三维模型；
将所述三维模型导入有限元处理软件，建立所述有限元模型。
进一步地，所述将所述三维模型导入有限元处理软件并建立所述有限元模型，包括：
将所述三维模型导入有限元处理软件，进行网格划分并建立所述锚栓有限元模型，确定所述锚栓作用的影响区域，对切割区域进行局部网格加密，以保证计算所述锚栓的精确度和计算效率。
进一步地，所述风机塔筒、所述T型法兰、所述垫片、所述高强灌浆层、所述上锚板、所述下锚板和所述基础基体采用2阶三维实体单元Solid187进行网格划分。
进一步地，所述锚栓有限元模型包含螺纹、螺杆和载荷伞；
所述螺纹、所述螺杆和所述载荷伞均通过梁单元Beam188进行建模。
进一步地，所述锚栓两端载荷伞的高度Lsk等于预设倍数的所述锚栓公称直径。
进一步地，所述设定所述有限元模型中的各部件属性及相互之间的接触关系，包括：
将所述T型法兰与所述上锚板之间的接触设置为摩擦接触；
将其余部件之间的接触关系设置为绑定接触。
进一步地，所述施加预紧力与对应工况的疲劳载荷极值，包括：
在所述基础基体底面设置固定约束，在所述锚栓上通过Pre179单元施加锚栓预紧力；
在所述塔筒底部设置加载点并施加外载荷。
进一步地，所述计算疲劳载荷与锚栓应力之间对应的函数关系，包括：
分别施加两个疲劳工况的疲劳极值并进行求解，得到所述锚栓在疲劳载荷区间内所受外载与应力之间对应的1阶线性函数关系。
进一步地，对所述疲劳载荷的时序值进行处理，得到所述锚栓对应的应力值，包括：
根据求得的锚栓所受外载与自身应力之间的1阶线性函数关系，将疲劳载荷时序载荷值处理为锚栓对应的应力值。
进一步地，所述计算所述锚栓的疲劳S-N曲线，包括：
所述锚栓的疲劳S-N曲线为：
71*(2-Fs,max/F0.2,min)<＝85；
其中Fs,max为所述锚栓在极限载荷作用下的最大轴向应力，F0.2,min为所述锚栓的屈服强度。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过建立风机塔筒底部载荷传递至风机基础路径上所涉及的所有几何模型，模拟了完整的载荷传递路径与受力情况，避免了繁杂的刚度分项系数计算，直接加载求得锚栓的受力，即方便又准确。
附图说明
图1是本发明实施例提供的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法流程图；
图2是本发明实施例提供的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法逻辑示意图；
图3是本发明实施例提供的T型法兰锚栓结构示意图一；
图4是本发明实施例提供的T型法兰锚栓结构示意图二；
图5是本发明实施例提供的T型法兰锚栓结构示意图三；
图6是本发明实施例提供的T型法兰锚栓结构示意图四。
附图标记：
1、T型法兰，2、上锚板，3、高强灌浆层，4、基础基体，5、下锚板，6、螺母，7、通孔，8、塔筒壁，9、载荷伞，10、垫片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是本发明实施例提供的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法流程图。
图2是本发明实施例提供的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法逻辑示意图。
请参照图1和图2，本发明实施例的第一方面提供了一种风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，包括如下步骤：
S100，建立包含T型法兰锚栓的风机塔底载荷传递至基础基体所需的有限元模型。
S200，设定有限元模型中的各部件属性及相互之间的接触关系，并设定有限元模型的边界条件，施加预紧力与对应工况的疲劳载荷极值。
S300，对有限元模型进行非线性求解，计算疲劳载荷与锚栓应力之间对应的函数关系。
S400，按照锚栓外载与应力之间的对应函数关系，对疲劳载荷的时序值进行处理，得到锚栓对应的应力值。
S500，计算锚栓疲劳S-N曲线，进而对锚栓的疲劳强度进行校核。
工程算法采用Petesen理论对锚栓计算数学模型进行弹性体简化，没有考虑各部件之间的接触非线性行为对载荷传递及锚栓受力的影响。本发明建立了风机塔筒底部载荷传递至风机基础路径上所涉及的所有几何模型，模拟了完整的载荷传递路径与受力情况。工程算法中采用复杂的计算公式去计算螺栓与被连接件的刚度分项系数，然后根据分项系数求得在外载作用下锚栓的受力，对于复杂的模型来说计算刚度分项系数是麻烦且不准确的。本发明避免了繁杂的刚度分析系数计算，直接加载求得锚栓的受力，即方便又准确。工程算法只能通过理论方法，确定受载最大的锚栓并进行疲劳强度计算，并不能完全反应整个锚栓组的疲劳受载及损伤情况。本发明计算了整个锚栓组件的受载及疲劳损伤情况。
图3是本发明实施例提供的T型法兰锚栓结构示意图一。
图4是本发明实施例提供的T型法兰锚栓结构示意图二。
图5是本发明实施例提供的T型法兰锚栓结构示意图三。
图6是本发明实施例提供的T型法兰锚栓结构示意图四。
具体的，请参照图3、图4、图5和图6，建立包含T型法兰锚栓的风机塔底载荷传递至基础基体所需的有限元模型，包括：建立包含风机塔筒8、T型法兰1、垫片10、高强灌浆层3、上锚板4、下锚板5和基础基体4的三维模型；将三维模型导入有限元处理软件，建立有限元模型。
本实施例在三维建模软件中建立底部塔筒壁8、T型法兰1、垫片10、上锚板2、高强灌浆层3、基础基体4、下锚板5在内的载荷传递所需的详细几何模型。
为有效避免外载直接加载于T型法兰1之上，在T型法兰1上产生应力集中效应，进而对锚栓受力产生影响，需要在T型法兰1之上再建立一小节塔筒壁8，利用圣维南原理合理消除加载位置对锚栓受力的影响。
具体的，将三维模型导入有限元处理软件并建立锚栓的过程，包括：将三维模型导入有限元处理软件，进行网格划分并建立锚栓有限元模型。
进一步地，风机塔筒、T型法兰1、垫片10、高强灌浆层3、上锚板2、下锚板5和基础基体4采用2阶三维实体单元Solid187进行网格划分。
进一步地，在划分网格时，需要先确定锚栓作用的影响区域，锚栓作用影响区域内的网格需要局部加密处理。以高强灌浆层3内外径合围区域作为锚栓作用影响区域，以此区域加密网格仅需对基础基体4进行切割便可完成锚栓作用影响区域网格局部加密，既保证了锚栓计算的精确度，又兼顾了计算效率。完整的锚栓有限元模型应包含螺纹、螺杆、载荷伞9，均采用梁单元Beam188进行建模，Beam188不仅能够模拟轴向拉压，还可以模拟螺栓的受弯变形。特别的，为保证锚栓应力计算的准确性，螺纹及螺杆部分应至少分别建立2个单元。
对于实际模型，风机塔筒T型法兰1的连接锚栓为双头螺柱螺栓，两端为短螺纹，中间为长螺杆。锚栓通过通孔7贯穿于基础之中，其上端被螺母6固定于T型法兰1上，下端被螺母6固定于下锚板5之上，以此来将各部件连接在一起。
对于有限元模型，是不需要建立螺母6模型的，锚栓两端螺纹部位通过载荷伞9(连接假梁)形式与垫片10连接，再通过垫片10作用于T型法兰1及下锚板5之上，以此种方式承受来自塔筒底部的载荷并将载荷传递至其他部件。
进一步地，在建立载荷伞9时，锚栓两端载荷伞9的高度Lsk等于0.4倍的锚栓公称直径。
步骤S200中，根据各部件所用材料，分别对有限元模型进行属性设置，其中塔筒壁8、垫片10、T型法兰1、上锚板2、下锚板5、锚栓材料为钢，高强灌浆层3与基础基体4为混凝土。
进一步地，设定有限元模型中的各部件相互之间的接触关系，包括：将T型法兰1与上锚板2之间的接触设置为摩擦接触；将其余部件之间的接触关系设置为绑定接触。
为保守计算考虑，在塔筒底部平面中心位置建立节点并与塔筒上表面做点面接触，以此节点作为载荷加载点。
有限元模型导入ANSYS中，在基础基体4底面设置固定约束，分两步施加载荷，第1步在螺栓上通过Pre179单元施加螺栓预紧力，第2步在塔筒底部加载点位置施加外载荷，第2步的外载荷又分为5个等长子步进行加载。
2工况的疲劳极值并进行求解，得到螺栓在疲劳载荷区间内螺栓所受外载与应力之间对应的1阶线性函数关系。
步骤S400中，根据求得的螺栓应力与外载的函数关系，用Bladed软件将塔筒底部疲劳时序载荷处理为锚栓的应力文件。
步骤S500中，计算锚栓的S-N曲线，需要进一步的按照S200中载荷加载步骤1、2的方法进行锚栓的极限强度计算，得出锚栓的最大轴向应力Fs,max,进而求得锚栓疲劳S-N曲线。特别的，进行极限载荷计算时步骤2是不需要分为5个载荷子步进行求解的。
进一步地，计算锚栓的疲劳S-N曲线的过程中，锚栓的疲劳S-N曲线为：
71*(2-Fs,max/F0.2,min)<＝85；
其中，Fs,max为锚栓在极限载荷作用下的最大轴向应力，F0.2,min为锚栓的屈服强度。
本发明考虑了尺寸效应对锚栓疲劳S-N曲线的影响并进行了修正。对于尺寸大于M30的锚栓，锚栓的S-N曲线需要考虑尺寸效应影响系数Ks＝(30mm/d)^0.25并进行修正,d为锚栓的公称直径。
将锚栓的应力文件导入疲劳计算软件Fesafe中，配合求得的螺栓疲劳S-N曲线来校核锚栓的疲劳强度。
相应地，本发明实施例的第二方面还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器连接的存储器；其中，存储器存储有可被一个处理器执行的指令，指令被一个处理器执行，以使至少一个处理器执行上述风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法。
此外，本发明实施例的第三方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法。
本发明实施例旨在保护一种风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，包括如下步骤：建立包含T型法兰锚栓的风机塔底载荷传递至基础基体所需的有限元模型；设定有限元模型中的各部件属性及相互之间的接触关系，并设定有限元模型的边界条件，施加预紧力与对应工况的疲劳载荷极值；对有限元模型进行非线性求解，计算疲劳载荷与锚栓应力之间对应的函数关系；按照锚栓外载与应力之间的对应函数关系，对疲劳载荷的时序值进行处理，得到锚栓对应的应力值；计算锚栓疲劳S-N曲线，进而对锚栓的疲劳强度进行校核。上述技术方案具备如下效果：
通过建立完整的载荷传递路径模型，摒弃了复杂的理论计算公式，以高效准确解决风力机T型法兰疲劳强度工程计算方法结果与锚栓的实际疲劳损伤有较大出入的技术问题。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立包含T型法兰锚栓的风机塔底载荷传递至基础基体所需的有限元模型；
设定所述有限元模型中的各部件属性及相互之间的接触关系，并设定所述有限元模型的边界条件，施加预紧力与对应工况的疲劳载荷极值；
对所述有限元模型进行非线性求解，计算疲劳载荷与锚栓应力之间对应的函数关系；
按照锚栓外载与应力之间的对应函数关系，对所述疲劳载荷的时序值进行处理，得到所述锚栓对应的应力值；
计算所述锚栓疲劳S-N曲线，进而对所述锚栓的疲劳强度进行校核。
2.根据权利要求1所述的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，其特征在于，所述建立包含T型法兰锚栓的风机塔底载荷传递至基础基体所需的有限元模型，包括：
建立包含风机塔筒、T型法兰、垫片、高强灌浆层、上锚板、下锚板和所述基础基体的三维模型；
将所述三维模型导入有限元处理软件，建立所述有限元模型。
3.根据权利要求2所述的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，其特征在于，所述将所述三维模型导入有限元处理软件并建立所述有限元模型，包括：
进行网格划分并建立所述锚栓有限元模型，确定所述锚栓作用的影响区域，对所述影响区域进行切割并进行局部网格加密，以保证计算所述锚栓的精确度和计算效率。
4.根据权利要求3所述的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，其特征在于，
所述风机塔筒、所述T型法兰、所述垫片、所述高强灌浆层、所述上锚板、所述下锚板和所述基础基体采用2阶三维实体单元Solid187进行网格划分。
5.根据权利要求3所述的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，其特征在于，
所述锚栓有限元模型包含螺纹、螺杆和载荷伞；
所述螺纹、所述螺杆和所述载荷伞均通过梁单元Beam188进行建模。
6.根据权利要求5所述的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，其特征在于，
所述锚栓两端载荷伞的高度Lsk等于预设倍数的所述锚栓公称直径。
7.根据权利要求1所述的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，其特征在于，所述设定所述有限元模型中的各部件属性及相互之间的接触关系，包括：
将所述T型法兰与所述上锚板之间的接触设置为摩擦接触；
将其余部件之间的接触关系设置为绑定接触。
8.根据权利要求1所述的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，其特征在于，所述施加预紧力与对应工况的疲劳载荷极值，包括：
在所述基础基体底面设置固定约束，在所述锚栓上通过Pre179单元施加锚栓预紧力；
在所述塔筒底部设置加载点并施加外载荷。
9.根据权利要求1所述的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，其特征在于，所述计算疲劳载荷与锚栓应力之间对应的函数关系，包括：
分别施加两个疲劳工况的疲劳极值并进行求解，得到所述锚栓在疲劳载荷区间内所受外载与应力之间对应的1阶线性函数关系。
10.根据权利要求1所述的风力机T型法兰锚栓疲劳强度校核方法，其特征在于，所述计算所述锚栓的疲劳S-N曲线，包括：
所述锚栓的疲劳S-N曲线为：
71*(2-Fs,max/F0.2,min)<＝85；
其中Fs,max为所述锚栓在极限载荷作用下的最大轴向应力，F0.2,min为所述锚栓的屈服强度。
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