CN117973161B - 一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种浮式风电平台疲劳裂纹扩展评估方法，包括：获取风浪数据；确定浪向排序，并计算不同浪向下各平均过零周期的总年度疲劳应力幅循环作用次数；水动力分析计算各风浪的波浪荷载：获取各风浪于裂纹节点处的最大波浪疲劳应力响应和最大风载疲劳应力响应；计算各风浪于裂纹节点处的风浪疲劳应力响应；计算各浪向下各平均过零周期的风浪疲劳应力响应幅值：基于第1阶段的初始裂纹尺寸，对各平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸进行逐阶段的顺序计算与失效评估，逐阶段为逐浪向逐周期或逐周期逐浪向；本发明将单一风浪的作用转化为随机风浪的应力幅变化，以贴合浮式风电平台的受力情况，保证疲劳裂纹扩展计算的合理性与准确性。

Description

一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法
技术领域
本发明属于海上风电技术领域，具体涉及一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法。
背景技术
浮式风电平台长期在波浪载荷、风载荷等多种随机环境载荷下工作，势必会出现疲劳问题。目前，工程界主要结合线性累积损伤理论和S-N曲线进行疲劳寿命的评估，但该方法仅适合于疲劳裂纹萌生阶段的评估，不适用于已存在裂纹缺陷结构的疲劳评估。断裂力学中的失效评估曲线虽然能进行疲劳裂纹扩展阶段的安全评估，但其只能进行单一恒定应力幅载荷下的疲劳评估，并不能直接应用于随机风浪载荷作用（即变幅循环载荷作用）下浮式风电平台的疲劳评估。因此，直接使用单一工况下浮式风电平台的疲劳评估结果来表征复合工况下浮式风电平台的疲劳性能，存在评估结果偏保守的问题。
发明内容
鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法，以对随机风浪载荷下的浮式风电平台进行更准确地疲劳裂纹扩展评估。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法，该方法包括：
S1、获取浮式风电平台所在海域的风浪数据；所述风浪数据包括各风浪的浪向、各风浪的出现概率、各风浪的风速、各风浪的平均过零周期和各风浪的有义波高；
S2、确定各浪向的排序，并计算不同浪向下各平均过零周期的总年度疲劳应力幅循环作用次数n kj ：
式中：k为浪向的排序；m为第k浪向中平均过零周期T j 下的风浪总个数；p ij 为第k浪向中各风浪的出现概率；
S3、构建浮式风电平台的水动力计算模型，并进行水动力分析计算，以获取不同浪向在单位波高下的基础水动力传递函数，进而获得各风浪的波浪荷载；
S4、构建浮式风电平台的有限元模型，并将各风浪的波浪载荷和对应的风机载荷分别加载至有限元模型上进行有限元分析，以获取各风浪于裂纹所在节点处的最大波浪疲劳应力响应σwave和最大风载疲劳应力响应σwind；
S5、计算各风浪于裂纹所在节点处的风浪疲劳应力响应σw：
S6、计算各浪向下各平均过零周期的风浪疲劳应力响应幅值Δσ kj ：
式中：SCF为应力集中系数，其通过DNV-RP-C103规范确定；σ max,kj 、σ min,kj 分别为第k浪向下第j平均过零周期中裂纹所在节点处的风浪疲劳应力响应最大值与风浪疲劳应力响应最小值；
S7、基于第1阶段的初始裂纹尺寸，对各浪向下各平均过零周期的年度裂纹扩展尺 寸进行逐阶段的顺序计算与失效评估，所述逐阶段为逐浪向逐周期或者逐周期逐浪向；当 评估结果为失效时，结束计算；当评估结果为安全时，则将本阶段计算获得的年度裂纹扩展 尺寸作为下一阶段计算的初始裂纹尺寸，以进行下一阶段的年度裂纹扩展尺寸计算与失效 评估；各浪向下各平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸通过以下公式进行计算：
式中：A、m为裂纹扩展常数，由实验数据拟合获得；为裂纹的几何修正系数， 根据BS7910规范确定；为第k浪向下第j平均过零周期的初始裂纹尺寸。
优选地，浮式风电平台的剩余疲劳寿命为计算开始到计算结束之间的所有总年度疲劳应力幅循环作用次数之和。
优选地，第1阶段采用的初始裂纹尺寸为浮式风电平台上实际裂纹的裂纹尺寸。
优选地，在步骤S7中，基于BS7910规范的Option 2级评定方法，对各阶段计算的年度裂纹扩展尺寸进行失效评估。
优选地，各风浪的风机载荷基于各风浪的风速和风机厂家提供的风轮推力曲线确定。
如上，本发明的一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法，具有以下有益效果：
本发明根据各风浪的浪向数据、平均过零周期数据，将同一浪向同一平均过零周期下各风浪引起的疲劳应力响应转化为相应浪向下相应平均过零周期的恒定疲劳应力响应幅值，并结合相应浪向相应平均过零周期下各风浪出现的概率，进行各平均过零周期下的逐浪向逐周期或逐周期逐浪向疲劳裂纹扩展顺序迭代计算，从而将单一风浪工况下的疲劳裂纹扩展计算转换成多风浪工况下的疲劳裂纹扩展迭代计算，以便于准确实现随机风浪载荷下浮式风电平台的疲劳裂纹扩展计算；同时，在迭代计算过程中引入失效评估，以确定迭代计算的终止位置，从而便于准确确定随机风浪载荷下浮式风电平台的剩余疲劳寿命，为在役浮式风电平台的疲劳裂纹扩展寿命的准确评估奠定理论基础；本方法相比基于单一恒定幅值的疲劳疲劳裂纹评估，评估结果更加准确，具有重要的工程意义。
附图说明
图1为本发明中浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法流程图。
图2为浮式风电平台的水动力计算模型示意图。
图3为失效评定图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供的一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法，用于对已存在缺陷的在役浮式风电平台进行疲劳裂纹扩展评估，该方法包括以下步骤：
S1、获取浮式风电平台所在海域的风浪数据；所述风浪数据包括各风浪的浪向、各风浪的出现概率、各风浪的风速、各风浪的平均过零周期和各风浪的有义波高；
风浪数据包括多个风浪，每个风浪均由浪向、风速、有义波高、平均过零周期和出现概率这五个参数构成的参数集合进行表征，且每个风浪可视为一个恒定的应力幅荷载。为了便于后续的分析计算，需将同一浪向下的各风浪汇总在一起，以形成不同浪向的浪向计算表，某浪向的浪向计算表如表1所示，其中，表1体现了该浪向下i×j个风浪的参数，各风浪的参数分别为风速V i 、有义波高H i 、平均过零周期T j 和出现概率p ij ；此外，各浪向的平均过零周期一一对应。
表1 某浪向的浪向计算表
通常情况下，每个风浪的浪向、风速、有义波高、平均过零周期均可通过实际测量获得，而风浪的出现概率可基于一段时间内该风浪的出现次数计算求得；当然，也可以根据已有的各个浪向的波浪散布数据，确定各个风浪的浪向、有义波高、平均过零周期和出现概率，然后结合风力-海况等级表，确定与有义波高对应的风速，完成各个风浪的参数确定。
某浮式风电平台所在海域的北向波浪散布数据如表2所示，其中，每个浪向的波浪散布数据均由有义波高H i 、平均过零周期T j 和出现概率p ij 表征；在表2中，列标题为各个风浪的有义波高H i ，行标题为各个风浪的平均过零周期T j ，表身中由各风浪的有义波高H i 和相应平均过零周期T j 确定的单元格处填写有对应的出现概率p ij 。
表2某浮式风电平台所在海域的北向波浪散布数据表
S2、确定各浪向的排序，并通过公式（1）计算不同浪向下各平均过零周期的总年度疲劳应力幅循环作用次数n kj ：
（1）
式中：k为浪向的排序；m为第k浪向中平均过零周期T j 下的风浪总个数；p ij 为第k浪向中各风浪的出现概率。
由于风浪对浮式风电平台的作用基本上是随机出现的，因此，各浪向的排序也可以随机确定，对此不作确定；在本步骤中，优选按照浪向出现频次由多至少进行排序，以更贴合浮式风机平台的实际受载情况。
S3、构建浮式风电平台的水动力计算模型，并进行水动力分析计算，以获取不同浪向在单位波高下的基础水动力传递函数，进而获得各风浪的波浪荷载；
如图2所示，水动力计算模型包括湿表面模型和质量模型，可基于ANSYS、ABAQUS、PRO/E等现有的三维软件创建获得；其中，质量模型应包含风轮、机舱、塔架和平台基础的质量模拟。水动力分析计算可通过AQWA、WAMIT、Hydrostar、MOSES、Waveload等现有的水动力分析软件进行，对此不作限定，本实施例优选采用AQWA软件进行水动力分析。
在使用AQWA软件进行水动力分析计算时，应根据当前海域选择对应的波浪谱，并输入上述风浪数据中提供的浪向及相应浪向的平均过零周期T1~T j ，以计算出不同浪向在单位波高下的基础水动力传递函数；在本实施例中，选择的波浪谱优选为JONSWAP谱。
由于各风浪的浪向和有义波高已知，因此结合对应浪向在单位波高下的基础水动力传递函数，即可获得各风浪的波浪荷载。
S4、构建浮式风电平台的有限元模型，并将各风浪的波浪载荷和对应的风机载荷分别加载至有限元模型上进行有限元分析，以获取各风浪于裂纹所在节点处的最大波浪疲劳应力响应σwave和最大风载疲劳应力响应σwind；
浮式风电平台的有限元模型的创建与分析可采用ANSYS、ABAQUS等现有的有限元分析软件完成，对此不作限定。由于AQWA WAVE能方便快速地将计算获得的波浪荷载传递给ANSYS软件进行加载，因此，本实施例优选选用ANSYS软件进行有限元模型的创建与分析。
在本步骤中，各风浪的风机载荷基于各风浪的风速和风机厂家提供的风轮推力曲线确定。
裂纹所在节点可根据实际浮式风电平台的裂纹位置确定。
S5、根据公式（2）计算各风浪于裂纹所在节点处的风浪疲劳应力响应σw：
（2）
由于单个风浪对浮式风电平台的作用载荷包括波浪载荷和风载荷，因此，只需将波浪载荷在裂纹节点处引发的最大疲劳应力响应和风载荷在相应裂纹节点处引发的最大疲劳应力响应进行线性累加，即可获得单个风浪于裂纹节点处的疲劳应力响应。
S6、根据公式（3）计算各浪向下各平均过零周期的风浪疲劳应力响应幅值Δσ kj ：
（3）
式中：SCF为应力集中系数，其通过DNV-RP-C103规范确定；σ max,kj 、σ min,kj 分别为第k浪向下第j平均过零周期中裂纹所在节点处的风浪疲劳应力响应最大值与风浪疲劳应力响应最小值；
由于每个浪向均存在多个风浪，而浮式风电平台承受的风浪是随机出现的。因此，可将每个浪向中属于同一平均过零周期的风浪筛选出来，以表征同一浪向同一平均过零周期下的随机风浪；同时，根据这些风浪单独作用时引发的风浪疲劳应力响应最大值与风浪疲劳应力响应最小值，计算相应浪向下相应平均过零周期的风浪疲劳应力响应幅值Δσ kj ，以表征相应浪向下相应平均过零周期的随机疲劳应力响应幅值。
S7、基于第1阶段的初始裂纹尺寸，对各浪向下各平均过零周期的年度裂纹扩展尺 寸进行逐阶段的顺序计算与失效评估；其中，逐阶段为逐浪向逐周期或逐周期逐浪向；当评 估结果为失效时，结束计算；当评估结果为安全时，则将本阶段计算获得的年度裂纹扩展尺 寸作为下一阶段计算的初始裂纹尺寸，以进行下一阶段的年度裂纹扩展尺寸计算与失效评 估；各浪向下各平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸通过公式（4）计算获得：
（4）
式中：A、m为裂纹扩展常数，由实验数据拟合获得；为裂纹的几何修正系数， 根据BS7910规范确定；为第k浪向下第j平均过零周期的初始裂纹尺寸。
具体地，第1阶段的初始裂纹尺寸为浮式风电平台上实际裂纹的裂纹尺寸或根据材料选取的经验值，对此不作限定；基于计算可靠性考虑，本实施例优选采用浮式风电平台上实际裂纹的裂纹尺寸，实际裂纹的裂纹尺寸通过测量获取，测量方法可基于BS7910规范确定。
在本实施例中，年度裂纹扩展尺寸的计算公式由Paris公式演化而来，其具体演化过程如下:
1）根据公式（5）确定裂纹所在节点处的应力强度因子幅值ΔK:
（5）
式中：为裂纹尺寸；为裂纹的几何修正系数，可根据DNV-RP-C103规范确 定；Δσ kj 为第k浪向下第j平均过零周期的风浪疲劳应力响应幅值。
2）基于Paris公式，获得公式（6）以计算裂纹扩展速率:
（6）
式中，N为疲劳作用循环次数。
3）利用龙格库塔法求解公式（6），即可确定公式（4）中关于年度裂纹扩展尺寸 的计算公式。
求解公式（6）时优选采用4阶龙格库塔法。
在本实施例中，各浪向下各平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸计算与失效评估包括以下两种方法：
方法1：年度裂纹扩展尺寸的逐浪向逐周期顺序计算与失效评估
先计算第1浪向第1平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸，并进行失效评估；当评估结果为失效时，结束计算；当评估结果为安全时，则将该浪向下相应平均过零周期（即第1浪向第1平均过零周期）的年度裂纹扩展尺寸作为下一浪向相应平均过零周期（即第2浪向第1平均过零周期）的初始裂纹尺寸，以进行下一浪向下相应平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸计算与失效评估，若评估结果仍为安全，则重复该步骤，直至完成最后1个浪向下相应平均过零周期（即最后1个浪向第1平均过零周期）的年度裂纹扩展尺寸计算与失效评估；若评估结果仍为安全，则将最后1个浪向下相应平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸作为第1浪向下一个平均过零周期（即第1浪向第2平均过零周期）的初始裂纹尺寸，以进行第1浪向下一个平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸计算与失效评估，以此类推，即可依次完成各浪向各平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸计算与失效评估。
方法2：年度裂纹扩展尺寸的逐周期逐浪向顺序计算与失效评估
先计算第1浪向第1平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸，并进行失效评估；当评估结果为失效时，结束计算；当评估结果为安全时，则将该浪向下相应平均过零周期（即第1浪向第1平均过零周期）的年度裂纹扩展尺寸作为本浪向下一个平均过零周期（即第1浪向第2平均过零周期）的初始裂纹尺寸，以进行本浪向下一个平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸计算与失效评估，若评估结果仍为安全，则重复该步骤，直至完成本浪向下最后1个平均过零周期（即第1浪向最后1个平均过零周期）的年度裂纹扩展尺寸计算与失效评估；若评估结果仍为安全，则将本浪向下最后1个平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸作为下1浪向下第1平均过零周期（即第2浪向第1平均过零周期）的初始裂纹尺寸，以进行下1浪向第1平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸计算与失效评估，以此类推，即可依次完成各浪向各平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸计算与失效评估。
在疲劳扩展裂纹的顺序计算与失效评估过程中，当评估结果为失效时，本发明会结束计算，并将导致失效的年度裂纹扩展尺寸，作为浮式风电平台的疲劳裂纹临界扩展尺寸；当评估结果为安全时，本发明则将本阶段的年度裂纹扩展尺寸作为下一阶段年度裂纹扩展尺寸的计算基础，以更好地贴合浮式风电平台的受力情况，确保疲劳裂纹扩展计算的合理性与准确性。
此外，当计算结束时，自计算开始至计算结束之间的所有平均过零周期的总年度疲劳应力幅循环作用次数之和，即为浮式风电平台的疲劳裂纹扩展寿命评估值，以便于确定浮式风电平台的剩余疲劳寿命。
本申请采用失效评定图（Failure Assessment Diagram，即FAD）进行失效评估，失效评定图来源于SINTAP（Structural INTegrity Assessment Procedure）或BS7910等现有的疲劳评定规范，对此不作限定；本实施例优选采用BS7910的失效评定图进行失效评估。
本实施例采用的失效评定图来自BS7910规范的Option 2级评定方法，其相应的失效评估曲线表达式参见公式（7）：
（7）
式中：为应力比；为杨氏模量；为结构材料蠕变和塑性应变参考应力下的应变值；为材料屈服强度；为防止材料发生塑性崩塌而设定的应 力比最大值。
裂纹评估点在失效评估图中的位置是根据应力比与断裂比确定的，其 中，应力比的计算公式参见公式（8）：
（8）
式中，为裂纹参考应力，根据BS 7910计算。
断裂比的计算公式参见公式（9）：
（9）
式中，为某一时刻下的裂纹应力强度因子，根据BS7910计算；为断裂韧 性，可根据试验或BS7448规范确定。
确定某阶段应力比与断裂比后，即可确定该阶段的裂纹评估点在失效评 定图中的位置；如图3所示，将不同阶段的裂纹评估点进行顺序连接即可获得裂纹评估点轨 迹；当裂纹评估点处于失效评定图的安全区域，则评估结果为安全；若裂纹评估点处于失效 评定图的失效区域，则评估结果为失效；因此，裂纹评估点轨迹与评估曲线的交点即为裂纹 评估的临界点，当裂纹评估点与裂纹评估的临界点重合时，认为浮式风电平台处于濒临失 效阶段。
由于本发明将每个浪向中属于同一平均过零周期的风浪筛选出来，以表征同一浪向同一平均过零周期下的随机风浪；同时，根据这些风浪单独作用时引发的风浪疲劳应力响应最大值与风浪疲劳应力响应最小值，计算相应浪向下相应平均过零周期的风浪疲劳应力响应幅值，以表征相应浪向下相应平均过零周期的随机疲劳应力响应幅值；同时，引入年度裂纹扩展尺寸的逐波向顺序计算与失效评估，以使计算采用的应力幅变化更加贴合浮式风电平台的受力情况，确保疲劳裂纹扩展计算的合理性与准确性，具有重要的工程意义。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法，其特征在于，该方法包括：
S1、获取浮式风电平台所在海域的风浪数据；所述风浪数据包括各风浪的浪向、各风浪的出现概率、各风浪的风速、各风浪的平均过零周期和各风浪的有义波高；
S2、确定各浪向的排序，并计算不同浪向下各平均过零周期的总年度疲劳应力幅循环作用次数n kj ：
式中：k为浪向的排序；m为第k浪向中平均过零周期T j 下的风浪总个数；p ij 为第k浪向中各风浪的出现概率；
S3、构建浮式风电平台的水动力计算模型，并进行水动力分析计算，以获取不同浪向在单位波高下的基础水动力传递函数，进而获得各风浪的波浪荷载：
S4、构建浮式风电平台的有限元模型，并将各风浪的波浪载荷和对应的风机载荷分别加载至有限元模型上进行有限元分析，以获取各风浪于裂纹所在节点处的最大波浪疲劳应力响应σwave和最大风载疲劳应力响应σwind；
S5、计算各风浪于裂纹所在节点处的风浪疲劳应力响应σw：
S6、计算各浪向下各平均过零周期的风浪疲劳应力响应幅值Δσ kj ：
式中：SCF为应力集中系数，其通过DNV-RP-C103规范确定；σ max,kj 、σ min,kj 分别为第k浪向下第j平均过零周期中裂纹所在节点处的风浪疲劳应力响应最大值与风浪疲劳应力响应最小值；
S7、基于第1阶段的初始裂纹尺寸，对各浪向下各平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸进行逐阶段的顺序计算与失效评估，所述逐阶段为逐浪向逐周期或者逐周期逐浪向；当评估结果为失效时，结束计算；当评估结果为安全时，则将本阶段计算获得的年度裂纹扩展尺寸作为下一阶段计算的初始裂纹尺寸，以进行下一阶段的年度裂纹扩展尺寸计算与失效评估；各浪向下各平均过零周期的年度裂纹扩展尺寸通过以下公式进行计算：
式中：A、m为裂纹扩展常数，由实验数据拟合获得；为裂纹的几何修正系数，根据BS7910规范确定；/>为第k浪向下第j平均过零周期的初始裂纹尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法，其特征在于，浮式风电平台的剩余疲劳寿命为计算开始到计算结束之间的所有总年度疲劳应力幅循环作用次数之和。
3.根据权利要求1或2所述的一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法，其特征在于，第1阶段采用的初始裂纹尺寸为浮式风电平台上实际裂纹的裂纹尺寸。
4.根据权利要求1或2所述的一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法，其特征在于，在步骤S7中，基于BS7910规范的Option 2级评定方法，对各阶段计算的年度裂纹扩展尺寸进行失效评估。
5.根据权利要求1或2所述的一种浮式风电平台的疲劳裂纹扩展评估方法，其特征在于，各风浪的风机载荷基于各风浪的风速和风机厂家提供的风轮推力曲线确定。
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