[发明专利]大型风力发电机组塔架法兰疲劳强度计算方法及装置

说明书

本发明公开了一种大型风力发电机组塔架法兰疲劳强度计算方法，包括：S01、建立塔顶法兰疲劳分析有限元模型；S02、施加单位载荷至塔顶法兰疲劳分析有限元模型中，并提取塔顶法兰圆角和焊缝疲劳热点单位载荷工况主应力：S03、通过雨流统计计算塔顶法兰圆角和焊缝疲劳损伤。本发明还相应公开了一种大型风力发电机组塔架法兰疲劳强度计算装置，包括第一模块，建立塔顶法兰疲劳分析有限元模型；第二模块，用于施加单位载荷至塔顶法兰疲劳分析有限元模型中，并提取塔顶法兰圆角和焊缝疲劳热点单位载荷工况主应力：第三模块，通过雨流统计计算塔顶法兰圆角和焊缝疲劳损伤。本发明的计算方法及装置均具有计算结果精准、有效反映法兰真实情况等优点。

技术领域

本发明主要涉及风力发电技术领域，特指一种大型风力发电机组塔架法兰疲劳强度计算方法及装置。

背景技术

大型风力发电机组塔顶法兰是连接塔筒和机架的关键结构，塔顶法兰支撑整个机舱和风轮的重力，在运行过程中机舱和风轮所有的载荷将会传递给塔顶法兰，塔顶法兰将承受来自风轮和机舱的所有动载荷和静载荷。塔顶法兰最关键的位置是法兰圆角和焊缝。法兰圆角处于法兰的脖子位置，因为结构的突变导致结构在受载之后，在圆角处出现应力集中的现象，也就是缺口效应，因此风机运行过程中，该位置的疲劳会明显偏大；焊缝既是塔顶法兰与塔筒焊接位置，由于焊接过程中局部高温会使焊缝周围产生热影响区，根据大量的试验，热影响区疲劳性能将会小于母材。由于大型风力发电机组的塔顶法兰是连接塔筒和机架的关键结构，目前行业内对塔顶法兰的分析一直是采用工程算法，但是随着风力发电机组功率等级增大，载荷也越来越大，偏航轴承非线性和螺栓预紧力对法兰圆角和焊缝位置疲劳强度的影响越来越大，工程算法一般只能对其进行线性等效处理，无法对偏航轴承非线性和螺栓预紧力进行考虑，计算结果将无法准确的反映结构在整个生命周期的疲劳损伤情况。另外传统的算法一般是采用等效疲劳载荷来计算塔顶法兰圆角和焊缝的疲劳，等效疲劳载荷将无法考虑平均应力的影响，这将会导致计算结果偏大，不能反映塔顶法兰的真实情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种计算结果准确的大型风力发电机组塔架法兰疲劳强度计算方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种大型风力发电机组塔架法兰疲劳强度计算方法，包括以下步骤：

S01、建立塔顶法兰及其相关部件的几何模型，并按相互之间的装配关系进行装配，并进行网格划分，建立塔顶法兰疲劳分析有限元模型；

S02、施加单位载荷至塔顶法兰疲劳分析有限元模型中，并提取塔顶法兰圆角和焊缝疲劳热点单位载荷工况主应力；

S03、将提取的各应力导入MATLAB软件，先对载荷谱进行通道合并，然后通过雨流统计计算塔顶法兰圆角和焊缝疲劳损伤。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤S01中，相关部件包括前机架、偏航轴承、偏航制动盘以及偏航系统连接螺栓。

在步骤S01中，还包括接触边界设置：模型中各部件的接触关系根据实际情况进行模拟，包括塔顶法兰与偏航制动盘、偏航轴承与偏航制动盘、偏航轴承与前机架、塔顶法兰与垫片、塔顶法兰与垫片之间的标准接触。

在步骤S01中，还包括螺栓连接模拟：通过对梁单元赋予与螺栓实际的应力截面积来实现对螺栓的有效模拟，同时在根据实际情况对螺栓施加预紧力。

在步骤S01中，还包括偏航轴承模拟：偏航轴承内外圈建立实体模型，滚子采用杆单元，设置杆单元属性为只受拉，在滚道的不同角度建立杆单元，并设置不同角度杆单元与滚道的初始间隙，从而模拟出滚子在滚道中的接触角。