[发明专利]一种风力发电机轮毂结构疲劳计算方法及疲劳分析装置

权利要求书

1.一种风力发电机轮毂结构疲劳计算方法，具体包括如下步骤：

步骤一：建立有限元模型；建立轮毂及相关结构件有限元模型；主要模型结构包括：主轴外圈假体、轮毂结构、变桨轴承、叶片假体；结构计算边界条件包括：叶片假体末端固定约束和叶根固定坐标系下极限载荷；模型中的叶片考虑圣维南原理叶片的长度为直径的1.5倍；在轮毂实体单元表面建立一层壳单元，提取壳单元应力作为疲劳损伤计算的应力基数；考虑轴承接触的非线性特性，变桨轴承内外圈之间采用gap单元连接；在有限元模型中分别将6个自由度的单位载荷分别作为每个载荷工况施加在叶根坐标系下；通过有限元计算出每个单位载荷分量下轮毂应力结果；采用惯性释放法，利用结构单位载荷的有限元计算结果与时间载荷历程的线性乘积来计算应力时间历程，即应力谱；

步骤二：对应力谱进行雨流计数；雨流计数方法确定了每个应力循环的平均应力与应力范围，最终确定了马科夫矩阵，即平均应力、应力幅值以及循环次数一一对应的矩阵关系；

步骤三：建立不同应力比下的S-N曲线族；依据德国劳埃德GL2010规范第五章附录B中的规定，确定相应材料的S-N曲线；确定S-N曲线时通过选取不同应力比R＝-2，R＝-1，R＝-0.75，R＝-0.5，R＝-0.25，R＝0，R＝0.25，R＝0.5，R＝0.75，得到9条S-N曲线，形成不同应力比下S-N曲线族；

步骤四：计算疲劳损伤；将雨流计数得到的马科夫矩阵结合材料的不同应力比下的S-N曲线族，计算出不同应力幅和平均应力下的寿命值；依据采用的疲劳算法是Miner线性累计损伤理论，计算总损伤值。

2.根据权利要求1所述的风力发电机轮毂结构疲劳计算方法，其特征在于：所述的步骤一中，计算应力时间历程的具体公式如下：

σ_x(t)＝S_xF_x*F_x(t)+S_xF_y*F_y(t)+S_xF_z*F_z(t)+S_xM_x*M_x(t)+S_xM_y*M_y(t)+S_xM_z*M_z(t)

σ_y(t)＝S_yF_x*F_x(t)+S_yF_y*F_y(t)+S_yF_z*F_z(t)+S_yM_x*M_x(t)+S_y*M_y(t)+S_yM_z*M_z(t)

σ_z(t)＝S_zF_x*F_x(t)+S_zF_y*F_y(t)+S_zF_z*F_z(t)+S_zM_x*M_x(t)+S_zM_y*M_y(t)+S_zM_z*M_z(t)

τ_xy(t)＝S_xyF_x*F_x(t)+S_xyF_y*F_y(t)+S_xyF_z*F_z(t)+S_xyM_x*M_x(t)+S_xyM_y*M_y(t)+S_xyM_z*M_z(t)

τ_yz(t)＝S_yzF_x*F_x(t)+S_yzF_y*F_y(t)+S_yzF_z*F_z(t)+S_yzM_x*M_x(t)+S_yzM_y*M_y(t)+S_yzM_z*M_z(t)

τ_xz(t)＝S_xzF_x*F_x(t)+S_xzF_y*F_y(t)+S_xzF_z*F_z(t)+S_xz*M_x(t)+S_xzM_y*M_y(t)+S_xzM_z*M_z(t)

其中：σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_xz为应力分量；F_x(t)、F_y(t)、F_z(t)、M_x(t)、M_y(t)、M_z(t)是时间载荷历程分量；其他是单位载荷有限元应力分量结果。

3.一种风力发电机轮毂结构疲劳分析装置，其特征在于，它包括：

有限元建模单元(110)；主要结构模型包括：主轴外圈假体、轮毂结构、变桨轴承、叶片假体；结构计算边界条件包括：叶片假体末端固定约束和叶根固定坐标系下极限载荷；模型中的叶片考虑圣维南原理叶片的长度为直径的1.5倍；考虑轴承接触的非线性特性变桨轴承内外圈之间采用gap单元连接；在有限元模型中分别将各个载荷分量的单位载荷分别作为每个载荷工况施加在叶根坐标系下；

应力谱单元(120)；通过有限元计算出每个单位载荷分量下轮毂应力结果；采用惯性释放法，利用结构单位载荷的有限元计算结果与时间载荷历程的线性乘积来计算应力时间历程，即应力谱；对应力谱进行雨流计数，雨流计数方法确定了每个应力循环的平均应力与应力范围，最终确定了应力谱，即平均应力、应力幅值以及循环次数一一对应的矩阵关系；

疲劳损伤计算单元(130)；建立不同应力比下的S-N曲线族；依据德国劳埃德GL2010规范第五章附录B中的规定，确定相应材料的S-N曲线族；计算疲劳损伤，将雨流计数得到的矩阵结合材料的不同应力比下的S-N曲线族，计算出多个寿命值；采用的疲劳算法是Miner线性累计损伤理论，计算总损伤值。