CN117973162B - 适用于漂浮式风电机组塔架时域疲劳载荷分析的建模方法 - Google Patents
适用于漂浮式风电机组塔架时域疲劳载荷分析的建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了塔架时域疲劳分析技术领域的一种适用于漂浮式风电机组塔架时域疲劳载荷分析的建模方法，包括如下步骤：利用系泊链在平面运动自由度的等效回复力曲线获取系泊系统的等效回复力矩阵；以等效刚性杆件建立叶片模型，以等效莫里森圆柱杆件构建浮体基础模型；将水动力性能系数和等效回复力矩阵输入浮体基础模型；在转轴模型末端和机舱模型之间建立轴向线性弹簧连接和力矩耦合连接，在转轴模型的两端建立径向平动约束。本发明的一体化耦合分析模型能够在时域动态计算中大幅减小漂浮式风电机组全耦合模型的有限单元体的数量，使得计算资源将能够集中于唯一使用有限元方式建立的塔架模型上，极大的提高了计算效率。
Description
技术领域
本发明涉及塔架时域疲劳分析技术领域，具体涉及一种适用于漂浮式风电机组塔架时域疲劳载荷分析的建模方法。
背景技术
目前，漂浮式风电机组设计中涉及到的塔架结构疲劳性能分析技术，源自于海上固定式风电机组的设计规范，采用抗力因子法对塔架结构疲劳强度进行校核，并结合S-N曲线与Miner线性累积损伤准则进行疲劳寿命的评估。塔架结构的疲劳应力幅值响应和疲劳幅值循环次数是分析的关键，前者可通过构建机组-塔架-基础多体耦合模型、或者载荷-塔架-边界非耦合动力模型进行时域分析获取，后者则根据结构的疲劳应力响应幅值通过材料S-N曲线获取。
与陆上或者海上固定式的风电机组塔架相比，漂浮式风电机组塔架的动力特性有较大差异，主要体现为漂浮式基础六自由度运动带来的惯性载荷效应，以及大幅运动下机组大量的停机与启动带来的气动载荷瞬态效应，上述两者均对塔架结构的疲劳产生重大的影响。另一方面，由于塔架跟随漂浮式基础在水上进行多自由度运动，与塔架一阶及二阶振动相关的浮体纵摇和横摇运动周期，往往大幅小于塔架的自振周期，而大直径风轮及机舱的运动也会给塔筒带来较大惯性载荷，使塔筒长期处于低周期高荷载的动力作用，疲劳响应特性与固定式基础下的塔筒截然不同。
现有的分析模型中，非耦合动力模型无法考虑多自由度运动下的惯性效应，全耦合模型虽然能够考虑风轮-机舱-基础多体动力耦合作用并对塔架的疲劳应力响应进行分析，但由于风轮叶片及系泊链等柔性体模型需要耗费较大的计算资源，风浪流耦合下疲劳工况数量极多，根据经验常需进行数百个疲劳工况的校核，因此，对分析用的数值模型提出了计算效率的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于漂浮式风电机组塔架时域疲劳载荷分析的建模方法，以解决现有全耦合数据模型进行塔架时域疲劳载荷分析时存在计算效率低的技术问题。
本发明所采用的技术方案为：一种适用于漂浮式风电机组塔架时域疲劳载荷分析的建模方法，包括如下步骤：
步骤一：建立漂浮式基础位于水面以下的面元模型，并将所述面元模型导入水动力分析软件中计算包括风轮、转轴、机舱和塔架质量在内的漂浮式基础的水动力性能系数；其中风轮包括叶片和轮毂；
计算所述叶片的等效刚性杆件的截面半径；
利用系泊链在平面运动自由度的等效回复力曲线获取系泊系统的等效回复力矩阵；
步骤二：利用所述截面半径以等效刚性杆件建立叶片模型，以等效刚性杆件建立转轴模型，以等效刚体质点建立轮毂模型和机舱模型，以等效莫里森圆柱杆件构建与面元模型相对应的浮体基础模型，以有限元方式建立塔架模型；
将所述水动力性能系数输入浮体基础模型，并将所述等效回复力矩阵输入浮体基础模型提供平面约束；
步骤三：在所述叶片模型和轮毂模型之间建立绑定连接形成风轮模型；在所述轮毂模型和转轴模型前端之间建立绑定连接，在所述转轴模型末端和机舱模型之间建立轴向线性弹簧连接和力矩耦合连接，并在所述转轴模型的前端和末端沿风轮模型径向建立径向平动约束；对所述塔架模型和机舱模型固定相对位移，对所述塔架模型和浮体基础模型固定相对位移，得到风轮-机舱-塔架-基础-系泊一体化耦合分析模型。
优选的，所述水动力性能系数包括六自由度运动幅频响应函数、波浪力传递函数、静水回复刚度数据、运动临界阻尼矩阵、基础风拖曳力系数和基础流拖曳力系数。
优选的，所述截面半径的计算公式为：
其中，Mblade为单根叶片质量；ρblade为叶片材料密度；R为风轮半径；rrod为截面半径。
优选的，所述等效回复力矩阵的获取方法包括：先计算系泊系统在平面运动自由度下的回复力-偏移曲线，包括纵荡、横荡及艏摇自由度；然后选取平衡位置的回复力曲线段，通过前后端点坐标，计算等效的线性斜率，获得简化的线性弹簧；分别计算三个平面自由度的等效回复力，获得系泊系统的等效回复力矩阵。
本发明的有益效果：
本发明将风轮的弹性叶片简化成等效的等截面刚性杆件模型，并通过在转轴模型的两端分别与轮毂模型和机舱模型建立径向平动约束，以及在转轴模型末端与机舱模型之间建立轴向线性弹簧连接和力矩耦合连接，使得可旋转的简化风轮模型能够有效重现气动推力与风轮扭矩对塔架模型的动态作用；本发明通过等效莫里森圆柱杆件构建漂浮式基础位于水面以下的浮体基础模型，能够考虑非线性的波浪粘性阻尼作用，提高整体动力效应分析的准确性；同时将位于平衡位置附近的弹性系泊系统简化为线性的等效回复力曲线，使用线性的等效回复力矩阵代替弹性系泊链的有限元模型并提供浮体基础模型的水平约束，创建出风轮-机舱-塔架-基础-系泊一体化耦合分析模型，并能够在时域动态计算中大幅减小漂浮式风电机组全耦合模型的有限单元体的数量，进而减少相应分布质量点的运动方程数量，使得计算资源能够集中于唯一使用有限元方式建立的塔架模型上，极大的提高了计算效率，同时兼顾塔架疲劳动力效应的准确性。
附图说明
图1为本发明的适用于漂浮式风电机组塔架时域疲劳载荷分析的一体化耦合分析模型；
图2为风轮模型和机舱模型的连接示意图；
图3为面元模型的结构示意图；
图4为风轮叶片等效刚性杆模型的主视图；
图5为风轮叶片等效刚性杆模型的侧视图；
图6为系泊链与漂浮式基础连接位置关系图；
图7为系泊链的回复力-偏移关系曲线图；
图8为等效回复力矩阵和简化线性弹簧模型图；
图9为浮体基础模型的构建示意图；
图10为漂浮式风电机组的结构示意图。
图中附图标记说明：
1、风轮；2、塔架；3、漂浮式基础；4、系泊链；5、机舱；6、转轴；7、叶片；8、轮毂；
10、风轮模型；20、塔架模型；30、浮体基础模型；40、简化线性弹簧模型；50、机舱模型；60、转轴模型；70、叶片模型；80、轮毂模型；90、面元模型；
100、重心位置；200、力矩耦合连接；300、轴向线性弹簧连接；400、径向平动约束。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
发明人经过长期实践和研究发现：在疲劳工况中，海况和风况相对稳定，风轮1的气动载荷不会因为等效刚性杆模型代替弹性叶片有限元模型产生大幅度的变化；同时，在系泊系统方面，疲劳海况下的漂浮式基础3的平均水平偏移不大，系泊链4提供的水平回复力与偏移距离变化关系近似线性，因此，可使用线性的等效回复力矩阵代替弹性系泊链有限元模型，提供漂浮式基础3的水平约束。
实施例，如图1-图9所示，一种适用于漂浮式风电机组塔架时域疲劳载荷分析的建模方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：建立漂浮式基础3位于水面以下的面元模型90，并将面元模型90导入水动力分析软件中计算包括风轮1、转轴6、机舱5和塔架2质量在内的漂浮式基础3的水动力性能系数；其中，风轮1包括叶片7和轮毂8。
计算叶片7的等效刚性杆件的截面半径。
利用系泊链4在平面运动自由度的等效回复力曲线获取系泊系统的等效回复力矩阵。
步骤二：利用截面半径以等效刚性杆件建立叶片模型70，以等效刚性杆件建立转轴模型60，以等效刚体质点建立轮毂模型80和机舱模型50，以等效莫里森圆柱杆件构建与面元模型90相对应的浮体基础模型30，以有限元方式建立塔架模型20。
将水动力性能系数输入浮体基础模型30，并将等效回复力矩阵输入浮体基础模型30提供平面约束。
步骤三：在叶片模型70和轮毂模型80之间建立绑定连接形成风轮模型10；在轮毂模型80和转轴模型60前端之间建立绑定连接，在转轴模型60末端和机舱模型50之间建立轴向线性弹簧连接300和力矩耦合连接200，并在转轴模型60的前端和末端沿风轮模型10径向建立径向平动约束400；对塔架模型20与机舱模型50固定相对位移，对塔架模型20与浮体基础模型30固定相对位移，生成风轮-机舱-塔架-基础-系泊一体化耦合分析模型。
本申请将风轮1的弹性叶片7简化成等效的等截面刚性杆件模型，并通过在转轴模型60的两端分别与轮毂模型80和机舱模型50之间建立径向平动约束400，以及在转轴模型60末端与机舱模型50之间建立轴向线性弹簧连接300和力矩耦合连接200，使得可旋转的简化风轮模型10能够有效重现气动推力与风轮扭矩对塔架模型20的动态作用；本申请通过等效莫里森圆柱杆件构建漂浮式基础3位于水面以下的浮体基础模型30，能够考虑非线性的波浪粘性阻尼作用，提高整体动力效应分析的准确性；同时将位于平衡位置附近的弹性系泊系统简化为线性的等效回复力曲线，使用线性的等效回复力矩阵代替弹性系泊链的有限元模型并提供浮体基础模型30的水平约束，使得创建的风轮-机舱-塔架-基础-系泊一体化耦合分析模型能够在时域动态计算中大幅减小漂浮式风电机组全耦合模型的有限单元体的数量，进而减少相应分布质量点的运动方程数量，使得计算资源能够集中于唯一使用有限元方式建立的塔架模型20上，极大的提高了计算效率，同时兼顾塔架疲劳动力效应的准确性。
具体实施例1，如图1-图9所示，一种适用于漂浮式风电机组塔架时域疲劳载荷分析的建模方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，先建立漂浮式基础3浸没在自由水面以下的外表面面元模型90；其中，面元模型90的质量应包括风轮1、转轴6、机舱5、塔架2以及漂浮式基础3的质量。
然后将输出的面元模型90导入水动力分析软件中计算水动力性能系数，该水动力性能系数包括但不限于：六自由度运动幅频响应函数、波浪力传递函数、静水回复刚度数据、运动临界阻尼矩阵、基础风拖曳力系数和基础流拖曳力系数。
计算叶片7的等效刚性杆件的截面半径；具体为：通过质量等效方式，在风轮1直径保持不变的前提下，将叶片7视为等截面的刚性圆杆，计算公式为：
其中，Mblade为单根叶片质量；ρblade为叶片材料密度；R为风轮半径；rrod为截面半径。
获取系泊系统的等效回复力矩阵，具体为：先计算系泊链4在平面运动自由度下的回复力-偏移曲线，包括纵荡、横荡及艏摇自由度；然后选取平衡位置(即零偏移)的回复力曲线段，通过前后端点坐标，计算等效的线性斜率，获得简化的线性弹簧；分别计算三个平面自由度的等效回复力，获得系泊系统的等效回复力矩阵。
步骤二：根据步骤一中的截面半径rrod，以等效刚性杆件建立叶片模型70，同时沿长度方向输入每根叶片7的等效刚性杆件的翼型参数(为已知参数)，该翼型参数包括但不限于：翼型弦长、扭转角度、气动拖曳力系数、升力系数和力矩系数。
以等效刚性杆件建立转轴模型60。
以等效刚体质点建立轮毂模型80，并对轮毂模型80输入控制器所需参数，所需参数包括齿轮箱传动比、风轮额定转速和额定扭矩。
以等效刚体质点建立机舱模型50。
以等效莫里森圆柱杆件构建与面元模型90相对应的浮体基础模型30，也就是自由水面以下的漂浮式基础3通过等效莫里森圆柱杆件(为刚性)构建浮体基础模型30。
具体为：漂浮式基础3的主要部件如甲板、箱梁、立柱和撑杆以同等体积的等效莫里森圆柱杆件替代，其中，等效莫里森圆柱杆件的长度L2与原部件的长度L1一致，等效莫里森圆柱杆件的截面面积等于原部件体积除以长度，随即可获得截面半径r，最后依次输入每个原部件的重量参数并定义每个等效莫里森圆柱杆件的重心位置，并得到浮体基础模型30的重心位置100。
在等效莫里森圆柱杆件建立完成后，分别向每个等效莫里森圆柱杆件输入径向波浪拖曳力系数CdH和长度方向波浪拖曳力系数CdL。
将水动力性能系数输入浮体基础模型30的重心位置100，包括幅频响应函数、波浪力传递函数、静水回复刚度数据、运动阻尼矩阵、基础风拖曳力系数和基础流拖曳力系数；将等效回复力矩阵输入浮体基础模型30为浮体基础模型30提供平面运动约束。
以有限元方式建立塔架模型20，采用梁单元建模，依次输入塔筒截面属性参数，包括但不限于：外径、重量、回转半径、抗拉刚度、抗弯刚度和抗扭刚度。
步骤三：在三个叶片模型70的末端与轮毂模型80之间建立绑定连接，从而形成风轮模型10。
在轮毂模型80与转轴模型60前端之间建立绑定连接。
转轴模型60始终位于风轮模型10中心的法向位置，在转轴模型60的前端与末端分别沿风轮模型10的径向建立径向平动约束400，也就是通过在转轴模型60的两端沿风轮模型10的径向方向建立受力与位移的关系曲线，此约束可以保证转轴-风轮组合体转动时不会产生径向的偏移。
在转轴模型60末端与机舱模型50之间建立轴向线性弹簧连接300，以传递风轮模型10产生的轴向推力；同时在转轴模型60末端与机舱模型50之间建立力矩耦合连接200，以传递风轮模型10产生的扭矩。
对塔架模型20的顶部端点与机舱模型50固定相对位移。
对塔架模型20的底部端点与浮体基础模型30的重心位置100固定相对位移，得到风轮-机舱-塔架-基础-系泊一体化耦合分析模型。
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 (2)
1.一种适用于漂浮式风电机组塔架时域疲劳载荷分析的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：建立漂浮式基础(3)位于水面以下的面元模型(90)，并将所述面元模型(90)导入水动力分析软件中计算包括风轮(1)、转轴(6)、机舱(5)和塔架(2)质量在内的漂浮式基础(3)的水动力性能系数；其中风轮(1)包括叶片(7)和轮毂(8)；
计算所述叶片(7)的等效刚性杆件的截面半径；
利用系泊链(4)在平面运动自由度的等效回复力曲线获取系泊系统的等效回复力矩阵；
步骤二：利用所述截面半径以等效刚性杆件建立叶片模型(70)，以等效刚性杆件建立转轴模型(60)，以等效刚体质点建立轮毂模型(80)和机舱模型(50)，以等效莫里森圆柱杆件构建与面元模型(90)相对应的浮体基础模型(30)，以有限元方式建立塔架模型(20)；
将所述水动力性能系数输入浮体基础模型(30)，并将所述等效回复力矩阵输入浮体基础模型(30)提供平面约束；
步骤三：在所述叶片模型(70)和轮毂模型(80)之间建立绑定连接形成风轮模型(10)；在所述轮毂模型(80)和转轴模型(60)前端之间建立绑定连接，在所述转轴模型(60)末端和机舱模型(50)之间建立轴向线性弹簧连接(300)和力矩耦合连接(200)，并在所述转轴模型(60)的前端和末端沿风轮模型(10)径向建立径向平动约束(400)；对所述塔架模型(20)和机舱模型(50)固定相对位移，对所述塔架模型(20)和浮体基础模型(30)固定相对位移，得到风轮-机舱-塔架-基础-系泊一体化耦合分析模型；
其中，所述截面半径的计算公式为：
Mblade为单根叶片质量；ρblade为叶片材料密度；R为风轮半径；rrod为截面半径；
所述等效回复力矩阵的获取方法包括：先计算系泊系统在平面运动自由度下的回复力-偏移曲线，包括纵荡、横荡及艏摇自由度；然后选取平衡位置的回复力曲线段，通过前后端点坐标，计算等效的线性斜率，获得简化的线性弹簧；分别计算三个平面自由度的等效回复力，获得系泊系统的等效回复力矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种适用于漂浮式风电机组塔架时域疲劳载荷分析的建模方法，其特征在于，所述水动力性能系数包括六自由度运动幅频响应函数、波浪力传递函数、静水回复刚度数据、运动临界阻尼矩阵、基础风拖曳力系数和基础流拖曳力系数。
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|---|---|
| CN (1) | CN117973162B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107346357A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-11-14 | 大连理工大学 | 一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统 |
| WO2022055454A1 (en) * | 2020-09-08 | 2022-03-17 | Orta Dogu Teknik Universitesi | Damping element consisting of viscoelastic material, designed for damping wind turbine vibrations and increasing fatigue life of the structure |
| CN114580152A (zh) * | 2022-02-10 | 2022-06-03 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 一种基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法 |
-
2024
- 2024-04-02 CN CN202410389924.9A patent/CN117973162B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107346357A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-11-14 | 大连理工大学 | 一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统 |
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| CN114580152A (zh) * | 2022-02-10 | 2022-06-03 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 一种基于多体耦合分析的浮式风电结构基础局部应力时域分析方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 彭春江 ; 胡燕平 ; 程军圣 ; 沈意平 ; .海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析.中国机械工程.2016,(04),全文. * |
| 海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析;彭春江;胡燕平;程军圣;沈意平;;中国机械工程;20160225(04);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117973162A (zh) | 2024-05-03 |
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