[发明专利]海上风力发电结构疲劳分析方法

说明书

本发明属于海上风力发电结构技术领域，提供了海上风力发电结构疲劳分析方法，根据海上风电结构风、浪随机荷载特征，海上风力发电结构疲劳分析系统主要由三个独立模块构成，包括风‑浪荷载生成模块、疲劳荷载组合模块和考虑气动阻尼的影响的风机结构疲劳分析模块，三者联合运行或独立运行。本发明的海上风力发电结构疲劳分析方法可以考虑风、浪等作用下塔架振动与气动作用的耦合效应，可以计算风浪下塔架振动引起的气动阻尼变化的影响，风机结构的疲劳损伤更为准确。

技术领域

本发明属于海上风力发电结构技术领域，涉及风、浪等随机荷载作用下海上风力发电结构疲劳分析方法。

背景技术

海上风机在全寿命周期的运行过程中始终处于风、浪等随机荷载的作用，北方海域在冬季可能还有长期的冰激振动的作用，由于环境腐蚀、海底冲刷、叶片结冰等影响，结构特征也在不断的变化，在复杂运行环境中风机塔架、叶片等可能发生影响到结构安全和运行性能的疲劳损伤，对海上风机结构的疲劳安全进行分析评估是风电结构设计的关键要素。

对于海上风力发电结构的疲劳作用分析，德国船级社等欧美国家及行业有比较详细的规定，我国还没有专门的规范操作规程，特别是多种荷载组合作用下的疲劳分析方面只能参考其他相关规范。实际上，海上风电结构始终处于风、浪荷载的不同组合作用下，这个过程是时变的，既包括风生浪导致的荷载相关性，也包括叶片运行中波浪作用下引起的结构气动阻尼的变化；因此，风、浪荷载组合下的海上风机结构的疲劳分析评估，不仅包括荷载作用组合形式，也包括风电结构这一特殊形式导致的气动阻尼的方向性变化。

由于风机结构动力分析涉及到结构动力学、水动力学、气动力学以及机电控制等多个领域，涉及到不同性能计算之间的耦合、衔接等，涉及参数多，分析评估方法不统一，因此，开发海上风电结构疲劳分析系统，生成针对不同分析方法的海上风浪荷载作用及接口，提供基于不同荷载组合形式的疲劳分析计算模块，可以极大的方便海上风电结构的疲劳安全分析，并给出不同方法的比较，对于全面衡量海上风电结构疲劳安全具有重要作用。

发明内容

本发明目的是研发一套海上风力发电结构疲劳分析方法。

本发明的技术方案：

海上风力发电结构疲劳分析方法，根据海上风电结构风、浪随机荷载特征，海上风力发电结构疲劳分析系统主要由三个独立模块构成，包括风-浪荷载生成模块、疲劳荷载组合模块和考虑气动阻尼的影响的风机结构疲劳分析模块，三者联合运行或独立运行；

风-浪荷载生成模块，主要用于生成风、浪荷载，为其他模块提供荷载输入或提供荷载参数；风-浪荷载生成模块，包括针对频域分析的荷载生成模块和针对时域分析的荷载生成模块；浪荷载生成模块的操作流程：选择海浪谱的类型，根据其类型的不同选择进行波浪荷载频域模拟或波浪荷载时域模拟；在进行波浪荷载频域模拟时，输入频率范围和频率步，由此输出波浪功率谱，得到波浪力谱密度；在进行波浪荷载时域模拟时，输入荷载时长和时间步，由此输出波面高程时程，根据是否考虑波面变化，得到计波面变化和不计波面变化的波浪力时程；风荷载生成模块的操作流程：输入风荷载的参数与风机参数，设置荷载时长与时间步，输出脉动风速；在得到脉动风速后，输入风机叶素量就得到叶轮风荷载；并且根据脉动风速设置塔架分段数，选择所求塔架风荷载作用段，输出等效作用点塔架的风荷载；

疲劳荷载组合模块将风-浪荷载生成模块得到的风、浪荷载组合；疲劳荷载组合模块包括荷载组合作用模块和结构响应组合模块；对于荷载组合作用模块，考虑风荷载和波浪荷载的相关性，提供荷载耦合作用方式；对于结构响应组合模块，不考虑风荷载和波浪荷载的相关性，提供荷载组合作用方式；提供根据频域和时域分析结果进行疲劳分析的不同组合分析方法，包括全时域模拟法、等幅载荷法、组合谱法、直接公式法、损伤叠加法、等效应力法不同子模块；