[发明专利]海上风力发电结构疲劳分析方法

摘要

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。

主权项

1.一种海上风力发电结构疲劳分析方法，其特征在于，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；风机结构疲劳分析模块是主要计算分析模块，包括针对时域分析的基于雨流计数法的疲劳分析模块以及针对频域分析的基于随机过程理论的疲劳分析模块；在针对时域分析的基于雨流计数法的疲劳分析模块中，增加风机气动阻尼计算模块，考虑了气动阻尼对风机结构疲劳分析的影响；由于波浪增加了海上风机机组塔架的荷载，同时风轮的气动阻尼又抑制了机组对波浪和风的激励引起的前后摆动响应，因此风机气动阻尼对风机支撑结构的影响不能忽略；将风机气动阻尼加入时域疲劳损伤计算中，计算风浪耦合作用下结构的疲劳损伤值更加接近真实情况；在风机气动阻尼计算模块中，采用以下公式得到结构的气动阻尼：式中：β_areo为结构的气动阻尼；N为叶片数；ρ为空气密度；α为叶素攻角；C_L为升力系数；c(r)为半径r处的叶素弦长；Ω为叶素线速度；f为转动频率；m_rep为模态质量；R为叶片长度；本针对时域分析的基于雨流计数法的疲劳分析模块计算流程如下，首先进行参数化建模，输入荷载时程，再输入气动阻尼，确定荷载作用位置后，进行动力时程分析；由此输出结构应力时程，然后导入Matlab进行雨流计数，在对其进行平均应力修正后，设置循环次数、结构设计寿命，最后得到结构疲劳损伤；针对频域分析的基于随机过程理论的疲劳分析模块计算流程如下：首先进行参数化建模，输入波浪力谱密度；然后进行模态分析，PSD分析；最后输出结构应力‑频率曲线与方差。