CN116090138A - 一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法和系统，属于水轮机转轮疲劳分析技术领域。现有技术没有考虑水轮机转轮的实际运行工况以及水轮机转轮所需承受的多种载荷，导致水轮机转轮的疲劳寿命难以准确预测。本发明的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，通过构建转轮运行工况数据库、全流道三维仿真模型、复合载荷计算模型、疲劳应力模型，进行疲劳载荷计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算，从而有效解决现有水轮机转轮疲劳寿命计算过程中未充分考虑实际工况和未充分考虑水轮机转轮上复杂多轴疲劳应力而导致的疲劳寿命计算不准确的问题。

Description

一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法和系统

技术领域

本发明涉及一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法和系统，属于水轮机转轮疲劳分析技术领域。

背景技术

水电是一种高效的清洁能源，水轮机转轮是水力发电机组中的重要部件。近年来，水轮机转轮疲劳裂纹现象频发，严重影响了水电机组的正常运行。但是水力发电机组受限于定期检修，往往不能在运行过程中及时发现转轮叶片上的疲劳裂纹现象。只能对已经出现的裂纹现象进行被动的补偿措施。与此同时，水电机组常参与电网调峰工作，启停频繁，启动后往往在空转状态下待命，等待并网命令，空转状态往往处在水轮机转轮振动区内，导致水轮机转轮疲劳损伤大大增加。考虑到水轮机转轮运行工况复杂，出现疲劳裂纹后产生的事故损失难以估量。因此，准确地分析水轮机转轮的疲劳寿命对水电机组的安全平稳运行有着重要意义。

目前针对水轮机转轮的疲劳分析方法一般都存在两类问题：一是没有充分考虑真实的流场或水轮机转轮机组监测数据，只考虑设计工况作为相应的边界条件，这样在水轮机转轮启停或空转等非设计工况状态下，很难准确预测水轮机转轮的疲劳寿命情况。二是在疲劳载荷计算过程中，现有专利以及相关技术常使用冯-米塞斯进行考虑平均应力影响的疲劳载荷计算，这种计算方式更适用于简单应力状态下疲劳载荷。而轮机转轮实际工作中，工况比较复杂，需要承受多种类型的载荷，存在多个轴向应力共同加载的情况。传统方法很难准确描述这种复杂应力状态下的疲劳载荷情况。

进一步，在公开号为CN112711882A，公开日期为2021年4月27日，名称为“一种冲击式水轮机转轮疲劳破坏模型构建方法”的专利中，公开了一种冲击式水轮机转轮疲劳破坏模型构建方法。首先，基于冲击式水轮机转轮的设计结构，构建转轮的三维数字化模型和三维有限元模型；其次，基于冲击式水轮机转轮的设计工况，获取不同工况下的转轮的流场与应力场参数，进行流固耦合，构建流固耦合动力学参数库；最后将流固耦合动力学参数作为边界条件，代入转轮的有限元模型进行计算，得到包括不同流固耦合动力学参数的转轮疲劳破坏模型。

但上述方案存在的不足之处在于：

首先，上述方案没有考虑水轮机转轮的实际运行工况，仅使用了水轮机转轮的设计工况；其次，上述方案仅简单地使用应力循环曲线作为疲劳载荷条件，没有充分考虑水轮机转轮所需承受的多种载荷，进而无法准确计算水轮机转轮复杂的应力状态，导致水轮机转轮的疲劳寿命难以准确预测，从而使得疲劳寿命预测难以在水轮机转轮运行过程中成为可靠的运维参考。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的一在于提供一种通过构建转轮运行工况数据库、全流道三维仿真模型、复合载荷计算模型、疲劳应力模型，对时程数据进行处理，得到流场边界压力；并对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场和应变场；再基于复合应力场和应变场，进行疲劳载荷计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算，可以准确预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命的基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法。

本发明的目的二在于提供一种通过设置转轮运行工况数据库、全流道三维仿真模块、复合载荷计算模块、疲劳应力模块，对时程数据进行处理，得到流场边界压力；并对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场；再对复合应力场进行修正以及计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算，从而有效解决现有水轮机转轮疲劳寿命计算过程中未充分考虑实际工况和未充分考虑水轮机转轮上复杂多轴疲劳应力而导致的疲劳寿命计算不准确的问题，因而可以准确预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命的基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算系统。

本发明的目的三在于提供一种使用水轮机转轮监测数据作为边界输入，充分考虑水轮机转轮在复杂载荷状态下的多轴疲劳应力，并针对水轮机转轮所受的复合应力场进行了修正，可以更加准确预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命，从而有效解决现有水轮机转轮疲劳寿命计算过程中未充分考虑实际工况和未充分考虑水轮机转轮上复杂多轴疲劳应力而导致的疲劳寿命计算不准确问题的基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法和系统。

为实现上述目的之一，本发明的第一种技术方案为：

一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，包括以下步骤：

第一步，利用预先构建的转轮运行工况数据库，获取某一时间段的水轮机转轮时程数据；

所述水轮机转轮时程数据至少包括水轮机转轮的功率、转轮转速、流场入口流速、流场出口压力和导叶开度；

第二步，通过预先构建的全流道三维仿真模型对时程数据进行处理，得到流场边界压力；

第三步，通过预先构建的复合载荷计算模型，对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场和应变场；

第四步，基于复合应力场和应变场，并利用预先建立的疲劳应力模型进行疲劳载荷计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算。

本发明经过不断探索以及试验，通过构建转轮运行工况数据库、全流道三维仿真模型、复合载荷计算模型、疲劳应力模型，对时程数据进行处理，得到流场边界压力；并对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场和应变场；再基于复合应力场和应变场，进行疲劳载荷计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算，从而有效解决现有水轮机转轮疲劳寿命计算过程中未充分考虑实际工况和未充分考虑水轮机转轮上复杂多轴疲劳应力而导致的疲劳寿命计算不准确的问题，因而本发明能够准确地预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命，并且对水轮机转轮健康状态评估、运维、检修有重要指导意义。

本发明方案详尽，切实可行，便于实施，流程科学、合理。

作为优选技术措施：

所述第一步中，转轮运行工况数据库的构建方法如下：

设置数据采样频率，采样频率大于或等于2倍的转轮转速：

根据采用频率，获取时间长度不少于M天的水轮机转轮运行数据；

根据水轮机转轮的功率、转轮转速对水轮机转轮运行数据进行分类，得到转轮运行工况数据库。

作为优选技术措施：

所述第二步中，全流道三维仿真模型的构建方法如下：

根据水轮机转轮设计数据，建立关于蜗壳、导叶、转轮和尾水管的流场三维几何模型；

在流场三维几何模型的基础上，进行四面体单元网格划分，并且在流场边界层处对网格进行加密操作，加密层数不少于A层，加密区域网格尺寸小于B毫米，实现全流道三维仿真模型的构建；

流场边界层处为转轮叶片上冠根部、转轮叶片下环根部和转轮叶片出水端边缘。

作为优选技术措施：

全流道三维仿真模型对时程数据进行处理，得到流场边界压力的方法如下：

根据时程数据，设置流道边界条件；

流道边界条件包括水轮机转轮入口流速和尾水管出口压力；

采用两方程剪应力输运湍流模型和二阶中心差分离散格式，并根据边界条件，对流场方程求解，得到流场压力分布结果。

作为优选技术措施：

所述第三步中，复合载荷计算模型得到水轮机转轮上的复合应力场和应变场的方法如下：

步骤31，获取水轮机转轮的功率值和转轮转速数据；

步骤32，根据水轮机转轮的功率值和转轮转速数据，计算水轮机转轮的离心力载荷；

根据重力加速度，计算水轮机转轮的重力载荷；

步骤33，将离心力载荷、重力载荷和流场边界压力复合在一起，形成一个随时间变化的总载荷；

步骤34，将总载荷施加在水轮机转轮上，得到水轮机转轮的动力学方程；

步骤35，对动力学方程进行离散处理，并进行单向流固耦合计算，同时采用线弹性材料算法，得到水轮机转轮网格上的节点的应力张量；

应力张量至少包括三组两两互等的切应力分量；

步骤36，根据切应力分量，得到水轮机转轮上的复合应力场和应变场。

作为优选技术措施：

所述第四步，疲劳应力模型进行疲劳载荷计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命的方法如下：

步骤41，根据水轮机转轮上的复合应力场和应变场，计算最大切应力幅值；

步骤42，根据最大切应力幅值随时间的变化情况，并添加修正系数，计算得到多个节点的多轴修正疲劳等效应力；

步骤43，根据多轴修正疲劳等效应力，并结合疲劳应力寿命曲线，得到多个节点的每个等效应力幅值下疲劳断裂前的最大载荷循环次数，以及每个载荷循环造成的单位疲劳损伤量；

步骤44，根据线性损伤累积法，以及节点上经历的载荷循环种类，对单位疲劳损伤量进行累积，得到多个节点的累积损伤量；

步骤45，根据累积损伤量，计算多个节点的剩余疲劳寿命值；

步骤46，从多个节点的累积损伤量中，选择最大的累积损伤量，作为整个水轮机转轮的疲劳损伤量；从多个节点的剩余疲劳寿命值中，选择最小的剩余疲劳寿命值，作为整个水轮机转轮的剩余疲劳寿命。

本发明充分考虑水轮机转轮在复杂载荷状态下的多轴疲劳应力，针对水轮机转轮所受的多轴应力状态进行了修正，可以更加准确地预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命。

作为优选技术措施：

所述步骤41中，根据复合应力场和应变场，计算最大切应力幅值的方法如下：

步骤411，根据水轮机转轮上的复合应力场和应变场，设置相应的切应力平面，并得到水轮机转轮网格上的多个节点的应力张量；

步骤412，根据应力张量以及切应力平面，将应力向量分解为一个切向量分量和一个法向量分量；

步骤413，根据切向量分量，计算每个切应力幅值的大小，得到多个切应力幅值；

步骤414，对多个切应力幅值进行排序，得到最大切应力幅值。

作为优选技术措施：

所述步骤42中，计算得到多个节点的多轴修正疲劳等效应力的方法如下：

当最大切应力幅值随时间周期性变化时，根据节点法向量、材料参数、载荷平均值以及修正系数，对每个节点上的多轴修正等效疲劳等效应力进行计算；

节点法向量为节点所在切向量分量最大的平面上的法向量；

材料参数为水轮机转轮材料在交变拉压载荷试验获取的材料参数；

载荷平均值为交变拉压载荷试验的载荷平均值；

当最大切应力幅值不随时间周期性变化时，则根据雨流计数法对最大切应力幅值进行载荷子循环分类；分类完成后，根据每个载荷子循环过程开始、结束时的静水压以及修正系数，计算每个节点上的多轴修正疲劳等效应力。

为实现上述目的之一，本发明的第二种技术方案为：

一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，包括以下内容：

利用预先构建的转轮运行工况数据库，获取水轮机转轮某一时间段的时程数据；

根据预先构建的全流道三维仿真模型对时程数据进行处理，得到流场边界压力；

通过预先构建的复合载荷计算模型，对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场；

利用预先建立的疲劳应力模型对复合场进行修正以及计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算。

本发明经过不断探索以及试验，通过构建转轮运行工况数据库、全流道三维仿真模型、复合载荷计算模型、疲劳应力模型，对时程数据进行处理，得到流场边界压力；并对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场；再对复合应力场进行修正以及计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算，从而有效解决现有水轮机转轮疲劳寿命计算过程中未充分考虑实际工况和未充分考虑水轮机转轮上复杂多轴疲劳应力而导致的疲劳寿命计算不准确的问题，因而本发明能够准确地预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命，并且对水轮机转轮健康状态评估、运维、检修有重要指导意义。

同时，本发明充分考虑水轮机转轮在复杂载荷状态下的多轴疲劳应力，并针对水轮机转轮所受的复合应力场进行了修正，可以更加准确地预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命。

为实现上述目的之一，本发明的第三种技术方案为：

一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算系统，

其采用上述的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，其至少包括转轮运行工况数据库、全流道三维仿真模块、复合载荷计算模块和疲劳应力模块；

转轮运行工况数据库，用于获取水轮机转轮某一时间段的时程数据；

全流道三维仿真模块，用于对时程数据进行处理，得到流场边界压力；

复合载荷计算模块，对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场；

疲劳应力模块，用于对复合应力场进行修正以及计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算。

本发明经过不断探索以及试验，通过设置转轮运行工况数据库、全流道三维仿真模块、复合载荷计算模块、疲劳应力模块，对时程数据进行处理，得到流场边界压力；并对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场；再对复合应力场进行修正以及计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算，从而有效解决现有水轮机转轮疲劳寿命计算过程中未充分考虑实际工况和未充分考虑水轮机转轮上复杂多轴疲劳应力而导致的疲劳寿命计算不准确的问题，因而本发明能够准确地预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命，并且对水轮机转轮健康状态评估、运维、检修有重要指导意义。

同时，本发明充分考虑水轮机转轮在复杂载荷状态下的多轴疲劳应力，并针对水轮机转轮所受的复合应力场进行了修正，可以更加准确地预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明经过不断探索以及试验，通过构建转轮运行工况数据库、全流道三维仿真模型、复合载荷计算模型、疲劳应力模型，对时程数据进行处理，得到流场边界压力；并对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场和应变场；再基于复合应力场和应变场，进行疲劳载荷计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算，从而有效解决现有水轮机转轮疲劳寿命计算过程中未充分考虑实际工况和未充分考虑水轮机转轮上复杂多轴疲劳应力而导致的疲劳寿命计算不准确的问题，因而本发明能够准确地预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命，并且对水轮机转轮健康状态评估、运维、检修有重要指导意义。

进一步，本发明充分考虑水轮机转轮在复杂载荷状态下的多轴疲劳应力，并针对水轮机转轮所受的复合应力场进行了修正，可以更加准确地预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命。

再进一步，本发明经过不断探索以及试验，通过设置转轮运行工况数据库、全流道三维仿真模块、复合载荷计算模块、疲劳应力模块，对时程数据进行处理，得到流场边界压力；并对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场；再对复合应力场进行修正以及计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算，从而有效解决现有水轮机转轮疲劳寿命计算过程中未充分考虑实际工况和未充分考虑水轮机转轮上复杂多轴疲劳应力而导致的疲劳寿命计算不准确的问题，因而本发明能够准确地预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命，并且对水轮机转轮健康状态评估、运维、检修有重要指导意义。

附图说明

图1为本发明基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法的一种流程图；

图2为本发明基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法的第二种流程图；

图3为本发明计算疲劳损伤量和剩余疲劳寿命的一种流程图；

图4为应用本发明的一种水轮机转轮结构示图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求设置的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

除非另有设置，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。

如图1所示，本发明基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法的第一种具体实施例：

一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，包括以下步骤：

第一步，利用预先构建的转轮运行工况数据库，获取某一时间段的水轮机转轮时程数据；

所述水轮机转轮时程数据至少包括水轮机转轮的功率、转轮转速、流场入口流速、流场出口压力和导叶开度；

第二步，通过预先构建的全流道三维仿真模型对时程数据进行处理，得到流场边界压力；

第三步，通过预先构建的复合载荷计算模型，对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场和应变场；

第四步，基于复合应力场和应变场，并利用预先建立的疲劳应力模型进行疲劳载荷计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算。

如图2所示，本发明基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法的第二种具体实施例：

基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，包括以下步骤：

步骤一：根据水轮机转轮设计参数，建立关于蜗壳、导叶、转轮、尾水管流动区域的全流道三维仿真模型；全流道三维仿真模型用于后续的有限元结构力学仿真和疲劳寿命分析。

步骤二：从水轮监测系统中获取一段时间内的时程数据；并将时程数据进行统计分类，建立转轮运行工况数据库。时程数据包括水轮机转轮的功率、转轮转速、流场入口流速、流场出口压力、导叶开度。

步骤三：全流道三维仿真模型使用转轮运行工况数据库中流场入口速度、流场出口压力、导叶开度b为边界条件，进行全流道三维计算流体力学仿真计算，得到流固交界面上的边界压力。

步骤四：通过复合载荷计算模型对边界压力进行计算，并添加水轮机转轮的功率、转轮转速作为边界条件进行考虑复合载荷的流固耦合计算，从而得到水轮机转轮上的复合应力场和应变场，作为计算多轴修正疲劳应力的输入量。

步骤五：基于水轮机转轮上复合应力场和应变场的计算结果，根据疲劳应力模型进行疲劳载荷计算，并根据雨流计数法统计载荷循环次数，结合疲劳应力寿命曲线，进一步计算得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命。

本发明提出了一种使用水轮机转轮监测数据作为边界输入，进行考虑复合载荷的流固耦合仿真，并使用多轴疲劳应力准则进行疲劳寿命预测的方法，从而有效解决现有水轮机转轮疲劳寿命计算过程中未充分考虑实际工况和未充分考虑水轮机转轮上复杂多轴疲劳应力而导致的疲劳寿命计算不准确的问题。

本发明建立全流道三维仿真模型的一种具体实施例：

在所述步骤一中，以设计图纸为基础，分别建立关于蜗壳、导叶、转轮、尾水管的流场三维几何模型。再以这些三维几何模型为基础，进行四面体单元网格划分，并且在流场边界层处对网格进行加密操作，加密层数不少于3层，加密区域网格尺寸小于20mm。水轮机转轮的三维模型可根据设计图纸或三维扫描技术获得。获取的水轮机转轮三维模型需进行四面体网格划分，并在转轮叶片上冠根部，下环根部，叶片出水端边缘进行网格加密，加密区域的网格尺寸小于20mm，得到用于结构力学有限元分析的全流道三维仿真模型。

本发明得到转轮运行工况数据库的一种具体实施例：

在所述步骤二中，获取的数据时间长度不少于365天，数据采样频率为，其要求为：

进而对获取的数据，根据水轮机转轮的功率、转轮转速为标准进行分类得到转轮运行工况数据库。

本发明得到流场压力分布结果的一种具体实施例：

在所述步骤三中，根据转轮运行工况数据库中水轮机转轮入口流速、尾水管出口压力为边界条件。采用两方程剪应力输运湍流模型和二阶中心差分离散格式对流场方程求解，得到流场压力分布结果。

本发明计算应力张量的一种具体实施例：

在所述步骤四中，通过水轮机转轮的功率值和转速大小给水轮机转轮添加离心力载荷，根据重力加速度给水轮机转轮添加重力载荷，再添加流场边界压力，形成一个随时间变化的总载荷，其广义形式可以表示为：

将总载荷施加在结构上，此时整个结构的动力学方程可以写为：

其中，为结构的质量矩阵，为结构的阻尼矩阵，为结构的刚度矩阵，为位移矩阵，为速度矩阵，为加速度矩阵。对方程离散后完成单向流固耦合计算，并采用线弹性材料模型，得到水轮机转轮网格模型每个节点上的应力张量。每个节点上的应力张量有9个分量，其矩阵形式可以写成：

应力张量中包括了，，三组两两互等的切应力分量，用于在步骤五中寻找最大切应力幅值

如图3所示，本发明计算疲劳损伤量和剩余疲劳寿命的一种具体实施例：

在所述步骤五中，计算疲劳损伤量和剩余疲劳寿命的方法，具体包括以下步骤：

第一步，设置相应的切应力平面，对于(O，x，y，z)坐标系中的有限元网格节点，其包括一个通过有限元计算得到的应力张量。

此时，设置一个单位向量，根据单位向量，应力向量可以写成:

，进而它可以被分解为一个切向量分量和一个法向量分量：

其中N即为正应力大小，向量的模长即为切应力大小。也可以表示为的形式。由于与相垂直的有且只有一个平面，此时将与垂直的平面成为的剪应力平面。

第二步，对每个节点i对应的切应力平面，计算切应力幅值的大小。最终找到一个切应力平面，在该平面上的切应力幅值有最大值，并得到最大切应力幅值。

第三步，对最大切应力幅值是否随时间周期性变化进行判断：

如果最大切应力幅值随时间周期性变化，那么，每个节点上的多轴修正等效疲劳等效应力根据如下公式进行计算：

其中为节点所在切应力分量最大的平面上的法向量，为该平面上最大切应力幅值的，是通过两个水轮机转轮材料交变拉-压载荷试验获取的材料参数，其中一个交变拉压试验的载荷平均值为0，另一个交变拉压载荷试验的载荷平均值不为0。

参数a的计算方式为：

上式中为载荷平均值为0试验中应力幅值，为载荷平均值不为0试验中的应力幅值，为加载过程中的平均应力。

为载荷循环施加过程中的最大静水压，为预硬化控制参数，一般取。

如果最大切应力幅值不随时间周期性变化，那么则需要通过雨流计数法对随时间的变化进行载荷子循环分类。分类完成后，每个节点上的多轴修正疲劳等效应力，根据以下公式进行计算：

和代表每个载荷子循环过程开始和结束时的静水压。作用为取括号内选项中的最大值，作用为取括号内选项中的最小值。

考虑到疲劳寿命分析过程中使用的疲劳应力寿命曲线多为正应力疲劳曲线，而使用该多轴修正疲劳等效应力进行疲劳分析过程中应使用切应力疲劳曲线，如使用正应力疲劳曲线应在计算多轴修正疲劳等效应力过程中添加修正系数，一般取。

此时每个节点上的多轴修正疲劳等效应力计算，根据以下公式进行计算：

第四步，计算得到多轴修正疲劳等效应力后，结合疲劳应力寿命曲线，推出节点上，每个等效应力幅值下疲劳断裂前的最大载荷循环次数，以及每个载荷循环造成的单位疲劳损伤量。根据线性损伤累积法，如果网格节点上总共经历了种不同的载荷循环，那么累积的损伤量为：

此时，该节点处的剩余疲劳寿命百分比的计算公式如下：

整个水轮机转轮上的剩余疲劳寿命为所有网格节点上剩余疲劳寿命的最小值，其计算公式如下：

本发明结合水轮机转轮监测数据，充分考虑了水轮机转轮在复杂载荷状态下的多轴疲劳应力，针对水轮机转轮所受的多轴应力状态进行了修正，可以更加准确地预测出水轮机转轮在运行过程中的剩余疲劳寿命，对水轮机转轮健康状态评估、运维、检修有重要指导意义。

如图4所示，应用本发明的一种具体实施例：

一种基于监测数据的水轮机转轮多轴修正疲劳仿真方法，包括以下步骤：

步骤一：以设计图纸为基础，分别建立蜗壳、导叶、转轮、尾水管的流场三维几何模型。以这些三维几何模型为基础，进行四面体单元网格划分，并且在流场边界层处对网格进行加密操作，加密层数4层，加密区域网格尺寸为10mm，得到用于流体仿真计算的网格模型。

水轮机转轮的三维模型可根据设计图纸或三维扫描技术获得。获取的水轮机转轮三维模型需进行四面体网格划分，并在转轮叶片上冠根部，下环根部，叶片出水端边缘进行网格加密，加密区域的网格尺寸为8mm，得到用于结构力学有限元分析的全流道三维仿真模型。

步骤二：从水轮监测系统中获取365天的水轮机转轮的功率、转轮转速、流场入口流速、流场出口压力、导叶开度等时程数据。水轮机转轮最大转速为，因此最小采样频率为。将获取的数据以功率和转速为基准进行统计分类，建立转轮运行工况数据库。

步骤三：将转轮运行工况数据库中水轮机转轮入口流速、尾水管出口压力作为有限元仿真输入的边界条件，并采用两方程剪应力输运湍流模型和二阶中心差分离散格式对流场方程求解。时间步长，求解精度为，从而得到流场边界压力分布结果。

步骤四：通过水轮机转轮的功率值和转速大小给水轮机转轮添加离心力载荷，根据重力加速度给水轮机转轮添加重力载荷，再添加上一步骤中计算得到的流场边界压力，进行单向流固耦合计算；采用各向同性线弹性材料模型，在各向同性线弹性材料模型中，材料内部所有方向上的应力随材料的应变线性变化，材料的行为可以通过杨氏模量、泊松比、密度三个参数进行控制，进而可得到水轮机转轮网格模型每个节点上的应力张量，每个节点上的应力张量有9个分量，其矩阵形式可以写成：

应力张量中包括了，，三组两两互等的切应力分量，用于在步骤五中寻找最大切应力幅值

步骤五：基于水轮机转轮上应力应变场的计算结果，计算疲劳损伤和剩余疲劳寿命，其具体实施方法如下：

第一步，设置每个有限元网格节点对应的切应力平面。

第二步，对每个节点i对应的切应力平面，计算切应力幅值的大小，最终找到一个切应力平面，在该平面上的切应力幅值有最大值，记作最大切应力幅值。

第三步，对最大切应力幅值随时间的变化情况进行判断，在本实例中不随时间周期性变化，此时，需要通过雨流计数法对随时间的变化进行载荷子循环分类。分类完成后，每个节点上的多轴修正疲劳等效应力的计算公式如下所示：

其中，和代表每个载荷子循环过程开始和结束时的静水压。作用为取括号内选项中的最大值，作用为取括号内选项中的最小值。通过试验获取的参数 a取值为0.62。

由于本实例中使用正应力SN疲劳曲线进行分析，应在计算多轴修正疲劳等效应力过程中添加修正系数。每个节点上的多轴修正疲劳等效应力计算公式如下所示：

第四步，计算得到多轴修正疲劳等效应力后，结合疲劳曲线，推出节点上，每个等效应力幅值下疲劳断裂前的最大载荷循环次数，以及每个载荷循环造成的单位疲劳损伤量。根据线性损伤累积法，网格节点上总共经历了k种不同的载荷循环，累积损伤量的计算公式如下：

此时，该节点处的剩余疲劳寿命百分比的计算公式如下：

整个水轮机转轮上的剩余疲劳寿命百分比为所有网格节点上剩余疲劳寿命的最小值，其计算公式如下：

应用本发明方法的一种设备实施例：

一种计算机设备，其包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法。

应用本发明方法的一种计算机介质实施例：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法。

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、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、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括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）、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)

1.一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，其特征在于，

包括以下步骤：

第一步，利用预先构建的转轮运行工况数据库，获取某一时间段的水轮机转轮时程数据；

所述水轮机转轮时程数据至少包括水轮机转轮的功率、转轮转速、流场入口流速、流场出口压力和导叶开度；

第二步，通过预先构建的全流道三维仿真模型对时程数据进行处理，得到流场边界压力；

第三步，通过预先构建的复合载荷计算模型，对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场和应变场；

第四步，基于复合应力场和应变场，并利用预先建立的疲劳应力模型进行疲劳载荷计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算。

2.如权利要求1所述的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，其特征在于，

所述第一步中，转轮运行工况数据库的构建方法如下：

设置数据采样频率，采样频率大于或等于2倍的转轮转速：

根据采用频率，获取时间长度不少于M天的水轮机转轮运行数据；

根据水轮机转轮的功率、转轮转速对水轮机转轮运行数据进行分类，得到转轮运行工况数据库。

3.如权利要求1所述的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，其特征在于，

所述第二步中，全流道三维仿真模型的构建方法如下：

根据水轮机转轮设计数据，建立关于蜗壳、导叶、转轮和尾水管的流场三维几何模型；

在流场三维几何模型的基础上，进行四面体单元网格划分，并且在流场边界层处对网格进行加密操作，加密层数不少于A层，加密区域网格尺寸小于B毫米，实现全流道三维仿真模型的构建；

流场边界层处为转轮叶片上冠根部、转轮叶片下环根部和转轮叶片出水端边缘。

4.如权利要求3所述的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，其特征在于，

全流道三维仿真模型对时程数据进行处理，得到流场边界压力的方法如下：

根据时程数据，设置流道边界条件；

流道边界条件包括水轮机转轮入口流速和尾水管出口压力；

采用两方程剪应力输运湍流模型和二阶中心差分离散格式，并根据边界条件，对流场方程求解，得到流场压力分布结果。

5.如权利要求1所述的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，其特征在于，

所述第三步中，复合载荷计算模型得到水轮机转轮上的复合应力场和应变场的方法如下：

步骤31，获取水轮机转轮的功率值和转轮转速数据；

步骤32，根据水轮机转轮的功率值和转轮转速数据，计算水轮机转轮的离心力载荷；

根据重力加速度，计算水轮机转轮的重力载荷；

步骤33，将离心力载荷 、重力载荷和流场边界压力复合在一起，形成一个随时间变化的总载荷；

步骤34，将总载荷施加在水轮机转轮上，得到水轮机转轮的动力学方程；

步骤35，对动力学方程进行离散处理，并进行单向流固耦合计算，同时采用线弹性材料算法，得到水轮机转轮网格上的节点的应力张量；

应力张量至少包括三组两两互等的切应力分量；

步骤36，根据切应力分量，得到水轮机转轮上的复合应力场和应变场。

6.如权利要求1所述的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，其特征在于，

所述第四步，疲劳应力模型进行疲劳载荷计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命的方法如下：

步骤41，根据水轮机转轮上的复合应力场和应变场，计算最大切应力幅值；

步骤42，根据最大切应力幅值随时间的变化情况，并添加修正系数，计算得到多个节点的多轴修正疲劳等效应力；

步骤43，根据多轴修正疲劳等效应力，并结合疲劳应力寿命曲线，得到多个节点的每个等效应力幅值下疲劳断裂前的最大载荷循环次数，以及每个载荷循环造成的单位疲劳损伤量；

步骤44，根据线性损伤累积法，以及节点上经历的载荷循环种类，对单位疲劳损伤量进行累积，得到多个节点的累积损伤量；

步骤45，根据累积损伤量，计算多个节点的剩余疲劳寿命值；

步骤46，从多个节点的累积损伤量中，选择最大的累积损伤量，作为整个水轮机转轮的疲劳损伤量；从多个节点的剩余疲劳寿命值中，选择最小的剩余疲劳寿命值，作为整个水轮机转轮的剩余疲劳寿命。

7.如权利要求6所述的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，其特征在于，

所述步骤41中，根据复合应力场和应变场，计算最大切应力幅值的方法如下：

步骤411，根据水轮机转轮上的复合应力场和应变场，设置相应的切应力平面，并得到水轮机转轮网格上的多个节点的应力张量；

步骤412，根据应力张量以及切应力平面，将应力向量分解为一个切向量分量和一个法向量分量；

步骤413，根据切向量分量，计算每个切应力幅值的大小，得到多个切应力幅值；

步骤414，对多个切应力幅值进行排序，得到最大切应力幅值。

8.如权利要求7所述的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，其特征在于，

所述步骤42中，计算得到多个节点的多轴修正疲劳等效应力的方法如下：

当最大切应力幅值随时间周期性变化时，根据节点法向量、材料参数、载荷平均值以及修正系数，对每个节点上的多轴修正等效疲劳等效应力进行计算；

节点法向量为节点所在切向量分量最大的平面上的法向量；

材料参数为水轮机转轮材料在交变拉压载荷试验获取的材料参数；

载荷平均值为交变拉压载荷试验的载荷平均值；

当最大切应力幅值不随时间周期性变化时，则根据雨流计数法对最大切应力幅值进行载荷子循环分类；分类完成后，根据每个载荷子循环过程开始、结束时的静水压以及修正系数，计算每个节点上的多轴修正疲劳等效应力。

9.一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，其特征在于，

包括以下内容：

利用预先构建的转轮运行工况数据库，获取水轮机转轮某一时间段的时程数据；

根据预先构建的全流道三维仿真模型对时程数据进行处理，得到流场边界压力；

通过预先构建的复合载荷计算模型，对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场；

利用预先建立的疲劳应力模型对复合场进行修正以及计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算。

10.一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算系统，其特征在于，

其采用如权利要求1-9任一所述的一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法，其至少包括转轮运行工况数据库、全流道三维仿真模块、复合载荷计算模块和疲劳应力模块；

转轮运行工况数据库，用于获取水轮机转轮某一时间段的时程数据；

全流道三维仿真模块，用于对时程数据进行处理，得到流场边界压力；

复合载荷计算模块，对水轮机转轮的离心力载荷和重力载荷进行计算，并结合流场边界压力，得到水轮机转轮上的复合应力场；

疲劳应力模块，用于对复合应力场进行修正以及计算，得到疲劳损伤量和剩余疲劳寿命，实现基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算。

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