基于风向分布的风电机组塔筒焊缝疲劳强度计算方法

技术领域

本发明涉及风电机组疲劳计算技术领域，尤其涉及一种基于风向分布的风电机组塔筒焊缝疲劳强度计算方法。

背景技术

风电机组塔筒就是风力发电的塔杆，在风力发电机组中主要起支撑作用，同时吸收机组震动。在实际生产中，风电机组塔筒需要根据风场项目作定制化设计。同时，塔筒降本也是风机厂家的研究重点。目前风电机组塔筒的技术路线主要有钢塔、钢混塔、混塔、格构塔等，其中钢制圆锥塔筒为目前的主流技术路线。

对于钢制圆锥塔筒而言，在生产的过程中，工作人员需要根据EN1993-1-9等标准规范对塔筒焊缝的强度进行计算，而且，由于钢制塔筒的对称性，还需要采用工程算法计算塔筒的焊缝疲劳强度。

在实际应用场景中，风场的风资源分布具有在时间上和空间上不断变化的特点，为了能够捕捉到更多的风能，风电机组在风场中运行时一般会采取主动偏航对风的控制方式。由于风向的变化，会使得风电机组绕塔筒中心线的偏航角度不同，而且由于风电机组运行时与中性轴的距离不同，会导致同一位置的焊缝在风轮受到载荷后承受的作用力随着风向的变化而改变。然而，在现有技术中，在计算塔筒焊缝疲劳强度时输入的载荷并没有考虑风场的风向变化，仅仅基于一个方向的载荷来设计塔筒焊缝，导致焊缝疲劳强度的计算结果偏保守，塔筒重量增加。

因此，需要提供一种解决方案，来基于风资源的风向分布，确定塔筒焊缝疲劳强度，为设计人员提供数量依据，最终实现降低塔筒重量并提高塔筒可靠性的目的。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种基于风向分布的风电机组塔筒焊缝疲劳强度计算方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于风向分布的风电机组塔筒焊缝疲劳强度计算方法，所述方法包括：

S1：根据选址结果，确定风场或者风机机位的风向玫瑰图，基于风向玫瑰图的风向方位数值，将塔筒的侧壁沿周向方向分为多个区域，塔筒的侧壁还对应设置有焊缝点，所述焊缝点在塔筒侧壁的周向方向上位于相邻的所述区域之间的交界位置；

S2：对每个区域施加载荷，并分别计算相应的焊缝点的应力幅值；

S3：根据焊缝点的形式和对接方式确定各个焊缝点的SN曲线，同时修正每个焊缝点所对应的SN曲线，并修正S2中计算得到的各个焊缝点的应力幅值；

S4：基于S3中修正后的SN曲线，以及S3中修正的各个焊缝点的应力幅值，计算得到每个焊缝点的疲劳总损伤。

可选地，在所述S1中，风向玫瑰图的风向方位数值为n，将塔筒的侧壁沿周向方向均匀分为n个区域，每个区域在塔筒侧壁的周向方向上的夹角为α，则：

可选地，在所述S2中，包括：

在载荷作用于第i个区域，计算第j个焊缝点时，其中，j的取值范围为：

第j个焊缝点与第i个区域之间在塔筒侧壁的周向方向上的夹角为：β＝α(j-i)；

第j个焊缝点与第i个区域的中线之间的距离为：y

第j个焊缝点处的抗弯截面模量为：

第j个焊缝点处的应力幅值为：

可选地，在所述S3中，包括：

按照设计规范，根据焊缝点的形式和对接方式确定初始的SN曲线，之后，根据塔筒的设计需求，参照IIW或EN1993-1-9计算塔筒的壁厚影响因子TRF和应力集中系数SCF，并且，使用壁厚影响因子TRF和γ

可选地，在所述S4中，包括：

将所述S3中修正后的应力幅值带入对应的修正后的SN曲线中，计算得到对应的循环次数，之后再计算相应的焊缝点的疲劳损伤。

可选地，在所述S4中，包括：

当My表示等效疲劳载荷时，提取其中一处焊缝点的等效疲劳载荷，将其作为其中一个区域的输入载荷，然后计算各个焊缝点的应力幅值，

之后，参照修正后的SN曲线计算循环次数N

可选地，在所述S4中，包括：

当My表示塔筒的弯矩幅值时，基于塔筒的实际设计需求，根据焊缝截面的马尔科夫模型下的结果，统计弯矩幅值与次数的关系，将弯矩幅值转换为应力幅值，

之后，根据修正后的SN曲线，计算当前的应力幅值的理论循环次数N

在此理论循环下第j个焊缝点的疲劳损伤为：

最后，基于得到的焊缝点的疲劳损伤，根据疲劳累计损伤定律，计算得到当前焊缝点的疲劳总损伤。

可选地，风向玫瑰图的风向方位数值n为16。

本发明技术方案的主要优点如下：

通过本实施方式中的方法，能够充分考虑风场风资源的风向分布情况，同时还采用等效疲劳载荷或者借助Markov矩阵计算各个焊缝点的焊缝疲劳强度，为工作人员设计塔筒焊缝提供有效的数据基础，使得工作人员在设计塔筒焊缝时能够按照规范要求选取DC等级，能够以更加合理地设计方式降低塔筒焊缝疲劳损伤，从而可以在降低塔筒重量的同时提高塔筒的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明的一个实施方式中的一种基于风向分布的风电机组塔筒焊缝疲劳强度计算方法的简要流程示意图；

图2为根据本发明的一个实施方式中的一种基于风向分布的风电机组塔筒焊缝疲劳强度计算方法中的塔筒侧壁分割为多个区域的结构示意图；

图3为根据本发明的一个实施方式中的其中一个焊缝点所对应的SN曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

在根据本发明的一个实施方式中提供了一种基于风向分布的风电机组塔筒焊缝疲劳强度计算方法，该方法中，通过考虑风资源的风向分布以及频率，采用等效疲劳载荷或者借助Markov矩阵计算各个焊缝点的焊缝疲劳强度，使得DC等级能够按照规范要求进行选取，能够有效的降低塔筒焊缝疲劳损伤，并且在降低塔筒重量的同时提高塔筒的可靠性。

具体地，如图1所示，本实施方式中提供的基于风向分布的风电机组塔筒焊缝疲劳强度计算方法，包括：

S1：根据选址结果，确定风场或者风机机位的风向玫瑰图，基于风向玫瑰图的风向方位数值，将塔筒的侧壁沿周向方向分为多个区域，塔筒的侧壁还对应设置有焊缝点，所述焊缝点在塔筒侧壁的周向方向上位于相邻的所述区域之间的交界位置；

S2：对每个区域施加载荷，并分别计算各个焊缝点的应力幅值；

S3：根据焊缝点的形式和对接方式确定各个焊缝点的SN曲线，同时修正每个焊缝点所对应的SN曲线，并修正S2中计算得到的各个焊缝点的应力幅值；

S4：基于S3中修正后的SN曲线，以及S3中修正的各个焊缝点的应力幅值，计算得到每个焊缝点的疲劳总损伤。

可以理解，在实际应用场景中可能会存在一些偶发因素影响风向和风速的变化，为了减少计算量，在制造塔筒的数据模型中需要忽略部分偶发因素，因此，在本实施方式的方法中，需要提前进行两个设定：

一、塔筒侧壁的每个区域内的风向和风速分布是一致的。可以理解，在对每个区域施加载荷并计算单个焊缝点的应力幅值时，施加到单个区域的风向和风速分布等风特性为不变的，此时，只需要将一次载荷计算结果作为焊缝点疲劳损伤计算的输入，之后，可以借助风频计算焊缝点的损伤累计；

二、计算塔筒每个区域内的等效疲劳载荷或马尔可夫(Markov)矩阵的平均风速一致。可以理解，如果区域内的平均风速低于载荷计算时的平均风速，则计算是保守的，设计的塔筒的重量将会偏大，反之，则是不保守的。

在本方法的S1中，由于每个项目的风资源不同，因此，既需要根据每个项目的风资源对风电机组的塔筒做定制化设计，同时，同一风场中不同风机所对应的风向和风速也可能不同，因此，还需要根据风场或者风机机位确定当前塔筒的风向玫瑰图。

风向玫瑰图能够显示风向和风速，在本实施方式的方法中，能够基于风向玫瑰图的风向方位数值，将塔筒的侧壁沿周向方向分为多个区域。

具体而言，如图2所示，在S1中，风向玫瑰图能够展示n个方向的风向，风向玫瑰图的风向方位数值为n，则将塔筒的侧壁沿周向方向均匀分为n个区域，每个区域位于相邻的风向方位之间，其中，焊缝点位于风向所在的直线上。而且每个区域在塔筒侧壁的周向方向上的夹角为α，则：

示例性地，在本实施方式中，风向玫瑰图的风向方位数值n为16，则α＝22.5°。

进一步地，在本方法的S2中，可以依次对每个区域施加载荷，并且在对每个区域施加载荷的过程中能够分别计算各个焊缝点的应力幅值。

具体而言，在载荷作用于第i个区域，计算第j个焊缝点时，其中，j的取值范围为：

可以理解，当载荷作用于第i个区域时，在j的取值范围下，只能计算第i个区域后面的焊缝点，例如，当载荷作用于第10个区域，则j的取值范围是11至18，此时将不再计算前10个焊缝点所对应的疲劳应力。

第j个焊缝点与第i个区域之间在塔筒侧壁的周向方向上的夹角为：β＝α(j-i)；

第j个焊缝点与第i个区域的中线之间的距离为：y

第j个焊缝点处的抗弯截面模量为：

第j个焊缝点处的应力幅值为：

可以理解，i小于等于n。

示例性地，当n为16，载荷作用于第5个区域时，对于第7个焊缝点而言，

第7个焊缝点与第5个区域之间在塔筒侧壁的周向方向上的夹角为：β＝45°；

第7个焊缝点与第5个区域的中线之间的距离为：y

进一步地，在本方法的S3中，包括：

按照设计规范，根据焊缝点的形式和对接方式确定初始的SN曲线，之后，根据塔筒的设计需求，参照IIW(国际焊接学会)或EN1993-1-9计算塔筒的壁厚影响因子TRF和应力集中系数SCF，并且，使用壁厚影响因子TRF和γ

示例性地，对于使用壁厚影响因子TRF和γ

此外，对于使用应力集中系数SCF进一步修正S2中焊缝点所对应的应力幅值，示例性地，在载荷作用于第i个区域时，第j个焊缝点处修正后的应力幅值为：

进一步地，在本方法的S4中，包括：

将所述S3中修正后的应力幅值带入对应的修正后的SN曲线中，计算得到对应的循环次数，之后再计算相应的焊缝点的疲劳损伤。

具体而言，在所述S4中，包括：

当My表示等效疲劳载荷时，提取其中一处焊缝点的等效疲劳载荷，将其作为其中一个区域的输入载荷，然后计算各个焊缝点的应力幅值，

示例性地，最初施加的载荷可以是时序载荷，在载荷数据处理时，将时序载荷经过雨流计数统计幅值和循环次数的对应关系，在等效疲劳载荷计算时，将幅值和循环次数的关系通过取m＝1，2，3，4，......10计算等效疲劳载荷，在计算塔筒焊缝疲劳时，可以取m＝4的等效疲劳载荷。

之后，参照修正后的SN曲线计算循环次数N

可以理解，上述计算方式主要为根据等效疲劳载荷计算各个焊缝点的疲劳损伤，此时只是针对作用于其中一个区域并且来自于一个方向的载荷，不需要进行累计，工作人员可以直观地看到各个焊缝点的疲劳损伤。

当My表示塔筒的弯矩幅值时，基于塔筒的实际设计需求，根据焊缝截面的马尔科夫(Markov)模型下的结果，统计弯矩幅值与次数的关系。

示例性地，可以将得到的结果输入至下表1.1中。

表1.1载荷作用下的第i个区域的焊缝点疲劳损伤

可以理解，在上表1.1中，当载荷作用于第i个区域时，在不同的循环范围、不同的循环次数、不同的应力范围下，记录各个焊缝点的损伤，之后进行累计。其中，循环范围是指弯矩幅值。

然后，根据公式

之后，根据修正后的SN曲线，计算当前的应力幅值的理论循环次数N

可以理解，SN曲线中的斜率是定值，在图3中，m＝3和m＝5，这两个值不修正。

在此理论循环下的第j个焊缝点的疲劳损伤为：

最后，基于得到的焊缝点的疲劳损伤，根据疲劳累计损伤定律(或者也称miner准则)，计算得到当前焊缝点的疲劳总损伤。

可以理解，上述计算方式主要为根据塔筒的弯矩幅值计算各个焊缝点的疲劳损伤，此时会将塔筒各个方向的弯矩载荷施加到对应的区域，并计算同一个焊缝点的疲劳损伤，最后需要将同一个焊缝点的多个疲劳损伤根据疲劳累计损伤定律进行计算，从而得到最终的疲劳总损伤。

示例性地，可以将计算得到的结果输入至如下表1.2中。

表1.2基于风向分布的焊缝点疲劳损伤统计

可以理解，在上表1.2中，当塔筒的弯矩幅值确定之后，在不同的风向区域、不同的风向风频下，记录各个焊缝点的损伤，之后进行疲劳累计。

由此，本实施方式中的方法具有以下优点：

通过本实施方式中的方法，能够充分考虑风场风资源的风向分布情况，同时还采用等效疲劳载荷或者借助Markov矩阵计算各个焊缝点的焊缝疲劳强度，为工作人员设计塔筒焊缝提供有效的数据基础，使得工作人员在设计塔筒焊缝时能够按照规范要求选取DC等级，能够以更加合理地设计方式降低塔筒焊缝疲劳损伤，从而可以在降低塔筒重量的同时提高塔筒的可靠性。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。