風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的結(jié)構(gòu)件的疲勞分析方法和疲勞分析裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及疲勞分析方法，尤其涉及一種用于對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中涉及軸承連接的 結(jié)構(gòu)件進(jìn)行疲勞分析的方法及疲勞分析裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)件主要承受或傳遞復(fù)雜的動載荷，因此疲勞破壞是風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組結(jié)構(gòu)件的主要失效模式之一。結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度對準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷 部位及損傷大小至關(guān)重要。
[0003] 軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中重要的連接部件，具有非常強(qiáng)的非線性載荷傳遞特征。而 恰恰是軸承的這一特性對結(jié)構(gòu)件應(yīng)力的計(jì)算，進(jìn)而對其疲勞損傷分析的準(zhǔn)確性產(chǎn)生重要的 影響。
[0004] 現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)件疲勞分析方法對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析時，每個載荷 分量單獨(dú)施加一個極限載荷，計(jì)算出結(jié)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力直接與處理后的疲 勞時序載荷相結(jié)合，對節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行線性放大與合成來計(jì)算部件的損傷。
[0005] 該方法計(jì)算疲勞損傷時，對于每個載荷分量只計(jì)算一種極限應(yīng)力結(jié)果，沒有考慮 載荷在正、負(fù)兩個不同方向作用時結(jié)構(gòu)件因軸承非線性因素引起的應(yīng)力差異。然而，由于軸 承的非線性特性，對每個載荷分量，實(shí)際結(jié)構(gòu)件即使在相同數(shù)值的正、負(fù)兩個載荷作用下， 軸承的載荷傳遞特征也會顯著不同，導(dǎo)致同一節(jié)點(diǎn)位置有不同的應(yīng)力狀態(tài)。因此，對載荷分 量作用方向不加區(qū)分，會導(dǎo)致疲勞計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)非常大的誤差，甚至?xí)?dǎo)致疲勞熱點(diǎn)位置 的改變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的結(jié)構(gòu)件的疲勞分析方法和裝 置，考慮軸承非線性影響因素，通過有限元分析方法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行疲勞 損傷分析，從而使疲勞計(jì)算結(jié)果更為精確。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的結(jié)構(gòu)件的疲勞分析方法。 所述方法包括：為涉及軸承連接的待測結(jié)構(gòu)件及與其相關(guān)的結(jié)構(gòu)件建立有限元模型；根據(jù) 預(yù)先設(shè)置的多個載荷工況，在所述有限元模型上分別施加載荷，每個所述多個載荷工況包 括單個載荷分量在正方向或負(fù)方向上的疲勞載荷統(tǒng)計(jì)極限值，所述載荷分量是X、Y或Z 方向的力或力矩，所述多個載荷工況包括各載荷分量在正方向和負(fù)方向上的疲勞載荷統(tǒng)計(jì) 極限值的集合；通過有限元分析，獲取在各載荷工況作用下待測結(jié)構(gòu)件的各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果； 將正則化預(yù)處理的疲勞載荷序列作為系數(shù)，對獲取的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行比例縮減，然后對比例 縮減后的不同載荷分量下的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行合成，取得所述待測結(jié)構(gòu)件有限元模型各節(jié)點(diǎn)的 應(yīng)力譜；根據(jù)所述各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力譜和所述待測結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力-壽命曲線，計(jì)算所述待測結(jié) 構(gòu)件的疲勞損傷值。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的結(jié)構(gòu)件的疲勞分析裝 置。所述裝置包括：建模單元，用于為涉及軸承連接的待測結(jié)構(gòu)件及與其相關(guān)的結(jié)構(gòu)件建立 有限元模型；載荷施加單元，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)置的多個載荷工況，在所述有限元模型上分別 施加載荷，每個所述多個載荷工況包括單個載荷分量在正方向或負(fù)方向上的疲勞載荷統(tǒng)計(jì) 極限值，所述載荷分量是X、Y或Z方向的力或力矩，所述多個載荷工況包括各載荷分量在正 方向和負(fù)方向上的疲勞載荷統(tǒng)計(jì)極限值的集合；應(yīng)力獲取單元，用于通過有限元分析，獲取 在各載荷工況作用下待測結(jié)構(gòu)件的各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果；縮減及合成單元，用于將正則化預(yù)處 理的疲勞載荷序列作為系數(shù)，對所述應(yīng)力獲取單元獲取的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行比例縮減，然后對 比例縮減后的不同載荷分量下的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行合成，取得所述待測結(jié)構(gòu)件有限元模型各節(jié) 點(diǎn)的應(yīng)力譜；疲勞計(jì)算單元，用于根據(jù)縮減及合成單元獲取的所述各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力譜和所述 待測結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力-壽命曲線，計(jì)算所述待測結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷值。
[0009] 本發(fā)明提出的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的結(jié)構(gòu)件的疲勞分析方法以及使用所述方法 的裝置具有以下有益效果：
[0010] 首先，在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元建模和計(jì)算中，考慮了軸承的 非線性影響，可使得應(yīng)力計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。
[0011] 其次，對構(gòu)建的有限元模型，分別施加與各載荷分量的正向和反向分別對應(yīng)的疲 勞載荷統(tǒng)計(jì)極限值，并且分別提取每個載荷分量在正、負(fù)兩個方向上的應(yīng)力結(jié)果用于疲勞 分析，對各載荷分量的正、負(fù)兩個不同方向作用的情況，能準(zhǔn)確地反映軸承的非線性傳力特 性引起的部件應(yīng)力狀態(tài)變化。
[0012] 再次，通過將各載荷分量正則化處理用于疲勞分析，而不是直接計(jì)算單位載荷的 應(yīng)力結(jié)果，避免了由于軸承剛度在低載荷段非線性特征最為明顯這一特征所造成的計(jì)算誤 差，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。
[0013] 再次，通過對疲勞時間序列載荷的分列處理，將每個載荷分量分成正、負(fù)兩個通 道，從而與對應(yīng)的應(yīng)力結(jié)果相結(jié)合，使疲勞仿真分析與部件的實(shí)際受力特征更加吻合，計(jì)算 結(jié)果更加準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0014] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的結(jié)構(gòu)件的疲勞分 析方法的流程圖；
[0015] 圖2是示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的結(jié)構(gòu)件的疲勞分析 裝置的邏輯框圖；
[0016] 圖3示出在執(zhí)行正則化預(yù)處理前的仿真疲勞時間序列載荷的示例；
[0017] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例經(jīng)過正則化預(yù)處理后得到的疲勞載荷序列 的示例。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的結(jié) 構(gòu)件的疲勞分析方法以及使用所述方法的裝置。
[0019] 需要指出，本發(fā)明的用于結(jié)構(gòu)件的疲勞分析方法適用于任何涉及軸承連接的風(fēng)機(jī) 結(jié)構(gòu)件的疲勞分析，而不僅限于在本申請中給出的具體結(jié)構(gòu)件示例。此外，本發(fā)明的用于結(jié) 構(gòu)件的疲勞分析方法適用于任何類型的風(fēng)機(jī)中的結(jié)構(gòu)件的疲勞分析，具有較好的通用性。
[0020] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的結(jié)構(gòu)件的疲勞分 析方法的流程圖。
[0021] 為了直觀地描述本發(fā)明的用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的結(jié)構(gòu)件的疲勞分析方法，在此以 風(fēng)機(jī)底座作為結(jié)構(gòu)件的示例對所述示例性實(shí)施例進(jìn)行描述。
[0022] 參照圖1，在步驟S110,為涉及軸承連接的待測結(jié)構(gòu)件及與其相關(guān)的結(jié)構(gòu)件建立 有限元模型。
[0023] 具體地，在步驟S110,根據(jù)待測結(jié)構(gòu)件的幾何、物理以及材料屬性建立所述有限元 模型，并且在所述有限元模型中，采用非線性單元模擬軸承僅受壓的承載特性。
[0024] 以風(fēng)機(jī)底座為例，可對底座本體、主軸和塔架等假體采用實(shí)體單元劃分網(wǎng)格；對 偏航軸承的內(nèi)、外圈采用實(shí)體單元劃分網(wǎng)格，而對偏航軸承的滾子采用ANSYS軟件中的 Link單元來模擬軸承僅受壓的特性。
[0025] 在加載前述建立的有限元模型后，在步驟S120,根據(jù)預(yù)先設(shè)置的多個載荷工況，在 所述有限元模型上分別施加載荷，每個所述多個載荷工況包括單個載荷分量在正方向或負(fù) 方向上的疲勞載荷統(tǒng)計(jì)極