首页 >
论文范文 >
工程工业论文 >
电力工业论文 >
电机论文 >
海上风电机组三脚架支撑结构疲劳分析方法
0
给我们留言吧!
摘要：为实现海上风电机组支撑结构抗疲劳设计，提出基于整体-局部方式建模的疲劳分析方法。利用该方法对热点局部区域进行详细有限元建模，基于IIW规范采用高精度六面体实体单元离散，其余非重点区域采用梁单元离散，可克服以往运用应力影响矩阵研究中忽略整体结构位移、边界条件不易施加等缺点。基于IEC 61400规范进行整机动力学和载荷计算，对某海上风电机组三脚架支撑结构进行疲劳分析。对比分析不同载荷工况、波高和水深下的累积损伤值，结果验证了所提出的整体-局部建模方法在海上风电机组三脚架支撑结构疲劳分析中的可行性和优越性。
加入收藏
近年来陆上风电机组倒塔事件频发，结构强度问题受到广泛关注[1-2]。由于海上风电机组的设计、安装与运维成本更高，支撑结构强度尤其是疲劳强度成为研究热点。应力集中因子（stress concentration factor,SCF）概念简单，在支撑结构设计中应用广泛[3]，其最初研究集中在较简单的K型、X型管节点上，后来发展至复杂结构形式、复合材料加强的管节点上[4]。在疲劳预测方面，董文斌等[5]提出采用两参数威布尔函数和广义γ函数描述典型工况导管架应力变程分布；Yeter等[6]提出基于时频转换三脚架的频域疲劳计算方法；徐传恒等[7]和Larsen等[8]分别提出K型管节点的多轴疲劳预测方法和疲劳分析的随机有限元法；刘伯紘等[9]在应力影响矩阵中增加了重力项以得到更精确的时序应力数值；Shittu等[10]对比了疲劳理论和断裂力学评估海上风电基础强度结果的异同；朱航等[11]探究三筒导管架基础的浮运稳性以及极限强度和疲劳强度。有关风电机组支撑结构抗疲劳研究可参考文献[12]。
三脚架是海工结构中常见的支撑型式，可用于超过30 m水深且单机容量大于5 MW的风电机组。王滨等[13]分别考察了单方向载荷与全方位载荷对三脚架基础疲劳寿命的影响；马宏旺等[14]提出考虑局部和全局冲刷效应的冲刷模型；梁发云等[15]考察了冲刷作用下的三脚架桩基的拉力作用；袁春光等[16]开展了深水域三脚架冲刷实验；张力伟等[17]建立考虑桩土和流固耦合作用的三脚架支撑风电机组动力学模型；Arcigni等[18]考察了海生物对三脚架动态性能的影响；郝二通等[19]对比了不同基础支撑下抗船体碰撞能力；Luczak等[20]对比了两种基于振动信号的三脚架损伤检测方法；康海贵等[21]验证了粒子群算法在三脚架基础结构优化设计中的有效性；杨和振等[22]提出动力响应下的三脚架可靠性优化设计方法；李炜等[23]对比了固定式海上风力发电机组不同组成部分对基频的影响；鲍石榴等[24]开展了由面外弯矩引起的三脚架热点应力数值仿真与实验研究。
在三脚架支撑结构中，主筒和3个斜支撑相贯处的外形复杂，且受到面内外弯矩、推力等复杂载荷作用。目前应用较为成熟的SCF方法仍存在诸多不足，诸如：通常选取极限强度的薄弱点或根据经验来假设疲劳失效点，无法得到全场累积疲劳损伤分布；基于单一方向载荷作用的SCF评估方法忽略了多方向载荷的叠加效应；在风浪流耦合作用下，有关波浪载荷等对结构强度的影响缺乏定量研究。鉴于上述问题，本文提出整体-局部的三脚架有限元建模方法，克服以往应力影响矩阵方法无法考虑整体结构边界条件的不足，考察关键部位疲劳损伤分布特点，证明所提方法在三脚架疲劳分析中的必要性，考察波高、水深环境参数对疲劳损伤的影响规律。
1、基于应力影响矩阵三脚架疲劳分析
1.1应力影响矩阵与应力计算
假设外界载荷通道数为n，各分量方向对应的单位大小载荷记为f1,f2，…，fn，则应力影响矩阵（stress influence matrix,SIM）定义为：
式中：第j列代表由fj引起的各应力分量。值得注意的是，在实际应用中，通过n次有限元计算可一次性获得SIM。
在外载荷作用下，时序应力数值基于线性叠加原理计算，某点应力分量为：
式中：[F1F2F3F4⋯Fn]T——对应f1,f2，…，fn方向上的载荷大小。
由式（2）可知，在获取SIM矩阵的基础上，通过线性叠加原理，可避免外载荷庞大数据下的有限元计算，大幅提高疲劳分析的效率。由式（2）可计算得等效应力表达式为：
1.2焊缝S-N曲线
根据DNV-RP-C203标准确定关键部位焊缝处的S-N曲
式中：N——循环次数；lg a——S-N曲线在横轴截距；m——S-N曲线斜率的负倒数，这里选取阴极保护海水环境，在循环次数1×106前后，m取值分别为3和5;t——预计裂纹产生处的结构厚度，mm;k——指数参数，这里取值0.2。
1.3雨流计数法与累积疲劳损伤计算
常见疲劳分析计数包括穿级类型计数法、峰值计数法、幅值计数法等，这里采用普遍应用的雨流计数法对时序应力统计处理[25]。
由式（3）可知，等效应力σSVM恒为正值，因此无法反映拉压特性，这里采用带符号的等效应力作为雨流计数对象：
式中：W——表征主应力方向的矩阵。
设在第i个应力循环实际次数为ϖi，对应S-N曲线中该应力变程允许次数为，基于Miner法则判断疲劳破坏发生条件：
2、三脚架结构疲劳强度分析
2.1三脚架结构的载荷计算
某5 MW海上风电机组轮毂高度为80 m，风轮直径为118 m，基于DNV BladedTM建立整机动力学模型，并采用隐式Newmark积分求解。设参考水深42 m,1倍浪高为1.1 m（对应4 m/s风速）。根据IEC 61400-3标准选取设计载荷工况中的正常发电工况[26]。风速范围4～26 m/s，步长2 m/s，风切变指数0.14，偏航误差取-10°、0°和10°，共包含216个疲劳工况，各工况在20 a发生次数根据风速威布尔分布曲线计算得到。动力学方程求解得到整机各点的时序位移值，由此计算等效静力载荷，即在该静力载荷下产生与动力响应相同的位移。将等效静力载荷中的载荷分量施加到详细有限元模型上。每一疲劳工况共含12000个时刻点对应的载荷数据量，若进行有限元求解，将面临着庞大的计算量。以下将求解3个方向单位力和单位力矩作用下的有限元方程，形成SIM，利用线性叠加原理获取时序应力。
2.2基于整体-局部建模的三脚架疲劳分析
在应用SIM时，以往研究将整体分析的载荷或位移施加到局部模型上作为边界条件，这种处理方式忽略了整体与局部关联性，且当施加载荷或位移的通道数量较多时，不易施加边界条件。为克服上述缺陷，提出整体-局部建模方法，选取三脚架主筒与斜支撑相贯处作为重点考察部位。如图1所示，焊缝处由被焊接件和焊趾组成，根据IIW标准这里不再对焊趾结构建模，其力学性能在焊缝S-N曲线中体现。对焊缝及周边区域采用高精度六面体单元离散，非重点考察区域采用一维梁单元模拟，网格模型包含58.8万个单元和89.4万个节点。由此可知，该处理方式在获取局部结构精确应力值的同时，可避免整体离散对应的庞大有限元规模，同时弱化了施加在局部结构边界条件对整体分析结果的依赖性。
图1两种不同三脚架疲劳分析方法对比
全约束三脚架底部三节点，在顶部梁单元节点上施加6个通道载荷，即Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz，累积损伤分布如图2所示。由图2可知，最大累积疲劳损伤值为0.6069，寿命设计满足疲劳强度要求。在SCF方法中，通常选取如图2所示的8个均布点作为考察热点，但图2中的最大疲劳损伤点位于斜支撑与主筒相贯处的某点，并非预设热点。其次，相对于SCF方法逐点计算累积损伤值，所提方法在SIM基础上，快速计算全场累积损伤值，更加全面了解疲劳损伤分布情况。由此可证明所提方法在三脚架结构疲劳分析的可行性和优越性。
图2三脚架累积疲劳分布与常见热点分布
2.3不同载荷作用的累积损伤结果对比
本节考察不同载荷作用下的累积损伤值，以证明所提方法的必要性。假设Fx、Mx、My和Mz单独作用，得到如图3所示的累积损伤结果。由图3可知，4种情况下的累积损伤值分别为8.07×10-5、3.48×10-4、0.121和0.02293，均低于0.6069。结果表明My是引起疲劳破坏的主要因素，但其他载荷贡献也不可忽略，所以采用单一载荷作用结合SCF方法将低估累积损伤值，得到此较危险的设计。上述结果证明了所提方法在三脚架结构疲劳强度校核中的必要性。
图3不同载荷作用工况下累积损伤结果对比
2.4不同波高下的累积损伤结果对比
在以往研究中，较少考察风浪流耦合作用对累积损伤的影响。这里设置1～5倍的波高，不同波高下累积损伤结果对比，如图4所示。由图4可知，累积损伤最大值随波高倍数的增加而增加，在当超过4倍波高时急剧增加，这说明随着波高的加高，浪流载荷对疲劳损伤的影响作用加强。
图4不同波高下的累积损伤结果对比
2.5不同水深下的累积损伤结果对比
保持波高不变，设置水深变化范围为45～60 m，不同水深下的累积损伤结果对比如图5所示。
由图5可知，在一定水深范围内，最大累积损伤值随水深的增加而增加；水深超过50 m时的累积损伤值超过1，不再满足疲劳强度设计要求。
图5不同水深下的累积损伤结果对比
3、结论
为实现海上风电机组三脚架支撑结构的抗疲劳设计，提出基于整体-局部方式的建模方法，针对某海上风电机组，计算得到所选局部结构的累积损伤分布，考察了不同方向载荷引起的疲劳损伤结果，对比了不同波高、水深下的累积损伤数值，可得到如下主要结论：
1）所提出的整体-局部有限元建模方法能保持原有SIM方法精细建模、计算精度高的优点，同时克服了其忽略整体结构响应、边界条件不宜施加的缺点。相比较较为成熟的SCF法，可快速获取全场累积损伤分布。
2）三脚架结构累积损伤是不同方向载荷作用叠加的结果，单一载荷方向结合SCF方法会低估累积损伤值，得到比较危险的设计结构。
3）最大累积损伤值随着波高、水深数值的增加而增加，当波高或水深增加到一定数值时，累积损伤值会超过许用值，浪和流引起的载荷在一定程度上起到主导作用。
参考文献:
[2]龙凯.风电机组塔筒结构强度校核与优化设计[M].北京:中国水利水电出版社,2020.
[11]朱航,李孟超,郭耀华,等.深水海上风电三筒导管架基础受力及浮运分析[J].太阳能学报,2022, 43(11):269-276.
[13]王滨,李昕,明小燕.海上风力机基础结构疲劳损伤研究[J].太阳能学报,2015, 36(3):769-774.
[21]康海贵,李玉刚,郇彩云.基于可靠度的海上风机基础结构优化设计方法研究[J].太阳能学报,2009, 30(12):1602-1607
[23]李炜,张敏,刘振亚,等.三脚架式海上风电基础结构基频敏感性研究[J].太阳能学报,2015, 36(1):90-95.
基金资助:南方电网新能源联合实验室(GDXNY2024KF03);中国华能集团科技项目“超大型国产化海上风电机组关键技术研究(一期)”(HNKJ23-H13);华能集团海上风电与智慧能源系统科技专项(HNKJ20-H88-01);新能源电力系统全国重点实验室开放课题(LAPS23015);
文章来源:陆飞宇,李成功,龙凯,等.海上风电机组三脚架支撑结构疲劳分析方法[J].太阳能学报,2024,45(07):699-703.
分享：
多电飞机是未来飞行器发展的重要方向，而多电航空发动机（More Electric Engine,MEE）的性能直接决定了飞机的整体性能。多电发动机的核心部件主要有：磁悬浮轴承系统、内置式整体起动/发电机、电驱动燃油泵、分布式控制系统，其中前两者一般都直接安装在高压转子上，对转子运行有直接影响。
2024-12-04
在以航空发动机为代表的高速旋转机械中，齿轮是核心传动元件，用于保证不同转速的部件互相匹配并高效传递功率，其可靠性至关重要。一旦齿轮发生故障，将直接影响航空发动机的使用安全，轻则会使系统振动增大、传动失效，严重时甚至会导致灾难性事故。某型起动机发生两起减速器输入主动齿轮断齿故障，一起起动机自由涡轮盘甩出，险些酿成大祸。
2024-12-04
工程教育专业认证可以有效保障工程教育的质量。教育部发布的《关于一流本科课程建设的实施意见》提出，课程目标要坚持知识、能力、素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维，这对高校理工科学生的工程实践能力与创新意识提出了明确的目标。
2024-11-11
纯电轻卡是一种利用电池作为动力源，通过电机驱动轮胎运行的载重型车辆，具有节能、环保、低噪音等优点。随着新能源汽车技术的发展和政策的支持，纯电轻卡在我国市场上得到了快速的推广和应用。然而，纯电轻卡作为一种重载运输工具，在复杂的道路条件下运行，对驱动系统提出了较高的要求。
2024-10-23
随着我国国民经济的发展及电网峰谷差的逐渐加大，大型火电机组已普遍参与调峰运行。机组在担负调峰任务时，通常需要频繁的启停，热态启动次数较多,转子和汽缸由此受到冷热冲击进而严重影响汽轮机的使用寿命。因此，对于汽轮机的热态启动，关键要解决汽轮机主蒸汽温度和汽轮机转子、汽缸温度之间的匹配问题。
2024-10-17
随着我国电力需求的增长与能源绿色低碳转型，以及电力系统结构逐步改变，电力系统面临巨大挑战。短期负荷预测是电网日常调度的重要依据，其预测精确度的需求也变得更高。目前，负荷预测的方法主要分为机器学习和深度学习。在进行负荷预测时，应有效地考虑负荷与过去的负荷值之间复杂的相关性。
2024-10-08
风电机组的随机性和间歇性会影响电网的稳定性和可靠性。对风电机组的实时风速、功率参数进行精确测量，可以为风电场经济稳定、合理地实施调控决策奠定基础。然而，风电机组停机、减负荷、通信噪声、装置失效等原因，使风电机组出现了大量的异常运行数据。因此，需要对风电机组异常数据点进行筛选。
2024-09-20
在“双碳”的背景下，以光伏、风电为代表的分布式电源得到广泛应用，并通过电力电子设备接入电力系统。分布式电源具有响应快、安全灵活等优点，但由于缺乏惯性，随着电力电子设备渗透率的提高，必然会降低电力系统的惯性阻尼。此外，由于其输出的不确定性和间歇性，系统的稳定性将受到威胁。
2024-09-20
近几年新能源乘用车市场占有率不断提升，电动化成为了汽车技术发展的主流趋势，尤其以“蔚小理”等为代表的造车新势力，将纯电动车技术不断推向高端化、智能化、网联化的新发展态势。为了满足用户对纯电动汽车加速性能好、续航里程高、充电速率快、成本低等需求，电驱动技术也朝着高功率密度、高效率、高转速等方向发展。
2024-09-20
水轮发电机组是水电站实现效益的核心设备，厂房作为保障机组运行的重要建筑，受振动影响可能发生共振，甚至导致局部构件损坏,这直接关系到电站的安全运行。因此，对电站厂房结构进行振动分析十分必要。马震岳等对三峡水电站厂房结构进行了动力分析，发现厂房振动频率较低且密集，机组转频和水轮机尾水管涡带频率接近厂房结构的基频和第二阶频率。
2024-09-19我要评论
期刊名称：太阳能
期刊人气：1861
主管单位：中国科学技术协会
主办单位：中国可再生能源学会
出版地方：北京
专业分类：科技
国际刊号：1003-0417
国内刊号：11-1660/TK
邮发代号：2-164
创刊时间：1980年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：7-9个月
影响因子：0.806
影响因子：0.723
影响因子：0.988
学术期刊咨询、科普杂志阅读、专利申请方案、课题研究设计、专著挂名咨询、论文下载、文献查询、原创文章检测、SCI实验设计方案等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2024-08-07
48
上传者：管理员
