CN117272666B - 一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了海上风力发电技术领域的一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法，包括如下步骤：将仿真工况的风速范围划分为多个风速区间；确定风速区间的平均风速、风速标准差和波浪参数并配置风速区间的风场文件；将风场文件和波浪参数代入仿真程序进行漂浮式风机运动仿真分析；根据仿真的应变时间历程和叶片材料的应力‑寿命曲线获得叶片上多个节点的循环次数和仿真时间，并计算节点的疲劳损伤矩阵和风速区间的长期分布概率；计算节点的疲劳损伤期望矩阵和叶片的疲劳寿命。本发明能够精准预测漂浮式海上风机叶片的疲劳寿命，可有效预防叶片疲劳断裂产生的设备故障与风险，为风机的检修运维提供科学依据，减少因风机损伤带来的经济损失。

Description

一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法
技术领域
本发明涉及海上风力发电技术领域，具体涉及一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法。
背景技术
漂浮式海上风机在自然海洋环境下工作，会经历由外部环境载荷引起的累计损伤，当损伤达到一定量时，会从塑化区域开始产生疲劳断裂，进而引起风机的损耗和故障，因此，准确地预估风机的疲劳损伤对海上风电行业的发展起到至关重要的作用。
对于风力发电机而言，叶片是最为核心关键的部件，也是在设计分析时的重点和难点，叶片良好机械性能和可靠质量是确保风力发电机组持续稳定运行的至关重要条件。考虑到海上风力发电机的恶劣工作环境，叶片必须具备较高的疲劳寿命和出色的机械性能，以承受持续变化的随机载荷和突发极端条件，例如暴风等冲击。大量事实和研究表明，疲劳寿命是风力发电机叶片使用寿命的决定性因素，因此，对叶片进行疲劳寿命估算具有重要意义，也可对风力发电机的叶片设计、制造、优化和可靠性评估技术提供重要参考。
因此，如何实现风机叶片疲劳寿命的精准计算，就成了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法，以解决现有风机叶片疲劳寿命无法准确计算的技术问题。
本发明所采用的技术方案为：一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法，包括如下步骤：
获取仿真工况的风速范围，并将所述风速范围划分为多个风速区间；
确定所述风速区间的平均风速μi、风速标准差σi和波浪参数；
根据所述平均风速μi、风速标准差σi配置风速区间的风场文件；
将所述风场文件和波浪参数代入仿真程序进行漂浮式风机运动仿真分析，以获得叶片的应变时间历程；
根据所述应变时间历程和叶片材料的应力-寿命曲线获得叶片上多个节点的循环次数Mi,j和仿真时间Tsi,j，并计算所述节点在每个风速区间的疲劳损伤矩阵Di；
计算所述风速区间的长期分布概率pi；
先根据所述疲劳损伤矩阵Di和不同风速区间对应的长期分布概率pi计算所述节点的疲劳损伤期望矩阵E(D)，然后计算所述叶片的疲劳寿命TY。
优选的，所述风速区间的划分方式为：先根据风机的风功率曲线所示的轮毂高度处切入风速和切出风速获取仿真工况的风速范围，然后将风机仿真分析所涵盖的轮毂高度风速范围切分成k个风速区间，每个所述风速区间的范围不应大于2m/s，k为大于等于2的正整数。
优选的，所述平均风速μi的计算公式为：μi＝(uup,i+ulow,i)/2；
所述风速标准差σi的计算公式为：σi＝0.16×(0.75μi+5.6)；
所述波浪参数包括有义波高Hs和平均峰值周期Tp；
所述有义波高Hs的计算公式为：
所述平均峰值周期Tp的计算公式为：
其中，uup,i为第i个风速区间的上边界风速，ulow,i为第i个风速区间的下边界风速。
优选的，所述风场文件的时长和运动仿真的时长小于等于20分钟。
优选的，所述应变时间历程的获取方式为：先将所述风速区间的风场文件和波浪参数代入风机仿真程序，求解风机的整体运动响应，得到风机各部件相应的位移、速度、加速度仿真结果，然后通过叶素动量理论和梁模型解出叶片上多个节点的应变时间历程。
优选的，所述节点的获取方法为：根据叶片的翼型尺寸，将所述叶片分成m个翼型截面，沿所述翼型截面的外轮廓均匀布置n个节点。
优选的，所述疲劳损伤矩阵的计算方式为：先通过雨流计数法处理每个节点的应变时间历程，并结合所述叶片材料的应力-寿命曲线，得到所述风速区间内多个独立的循环次数Mi,j和每个循环对应的仿真时间Tsi,j,计算等效一年的循环次数然后根据线性累积损伤法则，计算所述叶片的疲劳损伤d，在每一个风速区间下，计算所述叶片上每个节点的疲劳损伤，最终形成个k个m×n的疲劳损伤矩阵D,/>其中，/>为失效循环次数，所述疲劳损伤矩阵D中的每一个元素di,j代表第i个截面上第j个节点的疲劳损伤。
优选的，所述风速区间的长期分布概率的计算方式如下：通过对长期风速观测统计数据进行拟合，得到仿真分析地点的长期风速分布的概率密度函数，将所述风速区间的上下限带入概率密度函数的公式中，得到所述风速区间长期分布概率pi。
优选的，所述疲劳损伤期望矩阵E(D)的计算公式为：
其中，Di为所述叶片在第i个风速区间的疲劳损伤矩阵。
优选的，所述叶片疲劳寿命的计算公式为：
其中，max[E(D）]为疲劳损伤期望矩阵E(D)中的最大的元素。
本发明的有益效果：
本发明通过长期风速模型标定各风速区间在年度内的概率分布，配合短期风速模型构建与各风速区间对应的风场文件，利用仿真程序进行漂浮式风机运动仿真分析，计算各风速区间内风机叶片的疲劳损伤，通过综合分析得到风机叶片在年度内累计的疲劳损伤，进而准确预测在真实海洋环境下风机叶片的疲劳寿命，可以有效预防叶片疲劳断裂产生的设备故障与风险，为风机的检修运维提供科学依据，减少因风机损伤带来的经济损失。
附图说明
图1为本发明的漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法的流程图；
图2为叶片翼型截面与节点的示意图；
图3为雨流计数法的示意图；
图4为长期风速数据与概率分布曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
实施例，如图1、图2、图3和图4所示，一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法,该方法包括如下步骤：
获取仿真工况的风速范围，并将风速范围划分为多个风速区间。
确定每个风速区间的平均风速μi、风速标准差σi和波浪参数。
根据平均风速μi、风速标准差σi配置每个风速区间的风场文件。
将风场文件和波浪参数代入仿真程序进行漂浮式风机运动仿真分析，求解风机的整体运动响应，以获得叶片的应变时间历程。
根据应变时间历程和叶片材料的应力-寿命曲线获得叶片上多个节点的循环次数Mi,j和仿真时间Ti,j，并计算所有节点在每个风速区间的疲劳损伤矩阵Di。
计算每个风速区间的长期分布概率pi。
先根据疲劳损伤矩阵Di和长期分布概率pi计算节点的疲劳损伤期望矩阵E(D)，然后计算叶片的疲劳寿命TY。
本申请通过长期风速模型标定各个风速区间在年度内的概率分布，配合短期风速模型构建与各个风速区间对应的风场文件，利用仿真程序进行漂浮式风机运动仿真分析，计算各个风速区间内风机叶片的疲劳损伤，通过综合分析得到风机叶片在年度内累计的疲劳损伤，进而准确预测在真实海洋环境下风机叶片的疲劳寿命，可以有效预防叶片疲劳断裂产生的设备故障与风险，为风机的检修运维提供科学依据，减少因风机损伤带来的经济损失。
需要说明的是，在本实施例中，上述步骤中的部分步骤之间没有先后之分，也就是部分步骤的先后顺序可以颠倒。
具体实施例1，如图1、图2、图3、图4所示，一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法,该方法包括如下步骤：
S1：确定仿真工况。
具体为：先根据风机(风力发电机组)的风功率曲线所示的轮毂高度处切入风速(Cut-in Speed)和切出风速(Cut-out Speed)获取仿真工况的风速范围，也就是根据风力发电机组的风功率曲线，合理设置风机仿真工况的风速范围。
然后综合考虑计算资源和仿真时间，将风机仿真分析所涵盖的轮毂高度风速范围切分成k个风速区间，且每一个风速区间对应一个风机仿真的计算工况，每个风速区间的范围不应大于2m/s，k为大于等于2的正整数。
S2：确定海洋环境参数。
具体为：根据每一个风速区间的上边界风速uup,i和下边界风速ulow,i，逐一确定代表该风速区间的平均风速μi，其中，第i个风速区间的平均风速μi的计算公式为：μi＝(uup,i+ulow,i)/2。
确定代表每个风速区间的风速标准差σi，该风速标准差σi的计算方式有很多种，下面以湍流模型计算公式中的NTM Model A湍流模型计算公式做示例性说明，
第i个风速区间的风速标准差σi的计算公式为：σi＝0.16×(0.75μi+5.6)。
在本实施例中，该波浪参数包括有义波高Hs和平均峰值周期Tp。
有义波高Hs和平均峰值周期Tp的确定方法有很多中，下面以充分发展海况(FullyDevelop Sea-state)计算公式做示例性说明，
有义波高Hs的计算公式为：
平均峰值周期Tp的计算公式为：
其中，μ19.5由轮毂高平均风速转换到参考高度19.5米得到。
S3：配置风场文件。
具体为：对于每一个风速区间，结合风场模型参数，即平均风速μi、风速标准差σi以及漂浮式风机模型参数，例如轮毂高度，叶片长度等，利用风场仿真软件，如TurbSim生成对应每个风速区间的风场文件。
短期风速分布满足平稳随机过程，将风场文件的时长以及运动仿真的时间设置为小于等于20分钟。
S4：风机仿真模拟。
具体为：将每个风速区间的风场文件和波浪参数(有义波高Hs和平均峰值周期Tp)代入风机仿真程序，求解风机的整体运动响应，得到风机各部件相应的位移、速度、加速度仿真结果。
通过叶素动量理论(Blade Element Method)和梁模型(Beam Model)解出叶片上关键节点的应力-应变时间历程。
S5：叶片疲劳损伤计算。
先根据风机叶片的翼型(Airfoil)尺寸，将叶片分成m个翼型截面，沿着每个翼型截面的外轮廓均匀布置个n节点，m和n均为大于等于2的正整数，如图2所示。
再通过风机仿真计算结果，得到每个节点的应力-应变时间历程(简称应变时间历程)，并采用雨流计数法(Rain-flowCycle CountingMethod)处理每一个节点的应变时间历程，如图3所示。
然后结合叶片材料的应力-寿命曲线(S-N曲线)，得到每个风速区间内多个独立的循环次数Mi,j和每个循环对应的仿真时间Tsi,j,并将仿真时间Tsi,j对应的循环次数Mi,j转换成一年的循环次数Ni,j，
最后根据Miner-Palmgren线性累积损伤法则，叶片的疲劳损伤等于各级循环次数与该级别对应的失效循环次数比值之和，计算叶片的疲劳损伤d，
在每一个风速区间下，计算叶片上每个节点的疲劳损伤，最终形成个k个m×n的疲劳损伤矩阵D,
其中，为失效循环次数，疲劳损伤矩阵D中的每一个元素di,j代表第i个截面上第j个节点的疲劳损伤。
S6：长期风速分布计算。
考虑到不同风速区间在一年的时间占比不同，可通过长期风速模型来计算各风速区间在一年内出现的概率，且长期风速分布服从威布尔分布(Weibull Distribution)。
通过对长期(1年以上)风速观测统计数据进行拟合，得到仿真分析地点的长期风速分布的概率密度函数，如图4所示。将每一个风速区间的上边界风速和下边界风速带入概率密度函数的公式中，得到每一个风速区间在一年内出现的概率，即第i个风速区间的长期分布概率pi。
S7：叶片疲劳寿命计算。
通过将每个风速区间下的疲劳损伤矩阵Di乘以对应风速区间的长期分布概率pi，得到一年内叶片上各个节点的疲劳损伤期望矩阵E(D)，
观察疲劳损伤期望矩阵E(D)中的最大的元素max[E(D)]，是叶片上最容易发生疲劳失效的节点，即为危险节点(Hot Spot)。该元素值max[E(D)]是危险节点一年内累计的疲劳损伤。
叶片的疲劳寿命TY计算公式为：
相较于现有技术，本申请至少具有以下有益技术效果：
本申请能够精准预测漂浮式海上风机叶片的疲劳寿命，可有效预防叶片疲劳断裂产生的设备故障与风险，为风机的检修运维提供科学依据，减少因风机损伤带来的经济损失。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取仿真工况的风速范围，并将所述风速范围划分为多个风速区间；
确定所述风速区间的平均风速μi、风速标准差σi和波浪参数；其中，所述波浪参数包括有义波高Hs和平均峰值周期Tp；
根据所述平均风速μi、风速标准差σi配置风速区间的风场文件；
将所述风场文件和波浪参数代入仿真程序进行漂浮式风机运动仿真分析，求解风机的整体运动响应，得到风机各部件相应的位移、速度、加速度仿真结果，然后通过叶素动量理论和梁模型解出叶片上多个节点的的应变时间历程；
根据所述应变时间历程和叶片材料的应力-寿命曲线获得叶片上多个节点的循环次数Mi,j和仿真时间并计算所述节点在每个风速区间的疲劳损伤矩阵Di；
计算所述风速区间的长期分布概率pi；
先根据所述疲劳损伤矩阵Di和长期分布概率pi计算所述节点的疲劳损伤期望矩阵E(D)，然后计算所述叶片的疲劳寿命TY；
其中，所述疲劳损伤矩阵的计算方式为：先通过雨流计数法处理每个节点的应变时间历程，并结合所述叶片材料的应力-寿命曲线，得到所述风速区间内多个独立的循环次数Mi,j和每个循环对应的仿真时间计算等效一年的循环次数
然后根据线性累积损伤法则，计算所述叶片的疲劳损伤d，
在每一个风速区间下，计算所述叶片上每个节点的疲劳损伤，并形成疲劳损伤矩阵
其中，为失效循环次数，所述疲劳损伤矩阵D中的每一个元素di,j代表第i个截面上第j个节点的疲劳损伤；
所述疲劳损伤期望矩阵的计算公式为：
其中，Di为所述叶片在第i个风速区间的疲劳损伤矩阵；
所述叶片疲劳寿命的计算公式为：
其中，max[E(D)]为疲劳损伤期望矩阵E(D)中的最大的元素。
2.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述风速区间的划分方式为：先根据风机的风功率曲线所示的轮毂高度处切入风速和切出风速获取仿真工况的风速范围，然后将风机仿真分析所涵盖的轮毂高度风速范围切分成k个风速区间，k为大于等于2的正整数。
3.根据权利要求2所述的一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法，其特征在于，
所述平均风速μi的计算公式为：μi＝(uup,i+ulow,i)/2；
所述风速标准差σi的计算公式为：σi＝0.16×(0.75μi+5.6)；
所述有义波高Hs的计算公式为：
所述平均峰值周期Tp的计算公式为：
其中，uup,i为第i个风速区间的上边界风速，ulow,i为第i个风速区间的下边界风速。
4.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述风场文件的时长和运动仿真的时长小于等于20分钟。
5.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述节点的获取方法为：根据叶片的翼型尺寸，将所述叶片分成m个翼型截面，沿所述翼型截面的外轮廓均匀布置n个节点。
6.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述风速区间的长期分布概率的计算方式如下：通过对长期风速观测统计数据进行拟合，得到仿真分析地点的长期风速分布的概率密度函数，将所述风速区间的上下限带入概率密度函数的公式中，得到所述风速区间长期分布概率pi。
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