[发明专利]一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统

摘要

一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统，属于海上风机整体结构长期疲劳耦合分析技术领域。该疲劳分析系统包含设计风速模拟、整体耦合模型建立、耦合动力反应分析、疲劳工况设定、疲劳荷载文件生成及整体耦合疲劳分析等计算模块。首先建立转子‑控制‑机舱‑塔筒‑基础结构的整体耦合模型；然后利用FAST‑SACS联合分析接口调用FAST，开展耦合动力反应分析；联合分析接口读入耦合分析的结果文件，生成疲劳分析所需的输入文件和计算配置文件，并输出到指定目录；建立质点‑塔筒‑基础的简化整体模型，基于生成的输入文件和计算配置文件，开展风浪流联合作用下的海上风机整体结构疲劳分析；最后，基于风机疲劳累积准则得到结构长期疲劳累积。

主权项

一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统，其特征是：所述分析系统包括以下步骤：a. 利用FAST V8.0建立叶片‑轮毂‑机舱‑控制‑塔筒‑基础结构的整体耦合模型，依据海上风机疲劳设计工况及规范推荐的风谱和波浪谱生成疲劳计算所需的风速时程文件和波浪时程文件，依据海冰规范推荐的冰力模型或者冰力谱生成风机冰激振动分析所需的冰力时程文件；b. 启动FAST‑SACS联合分析接口，对FAST V8.0输入文件的有效性进行检查，调用FAST V8.0开展风浪联合作用下的耦合反应分析，得到风浪联合作用下海上风机结构的动力反应；c. 在FAST‑SACS联合分析接口中指定SACS 5.7的计算类型，读取FAST结果文件，依据指定的分析类型生成SACS 5.7计算所需的荷载文件和计算配置文件，存放到指定工作目录；d. 在SACS 5.7中建立海上风机简化的整体结构模型，读入FAST‑SACS联合分析接口生成的疲劳荷载文件和计算配置文件，开展海上风机整体耦合疲劳分析，得到风浪联合作用下的等效静力荷载；e. 所述的步骤d具体包含以下建模和计算步骤:e1. 在SACS中建立海上风机的整体结构简化模型，将风机上部结构简化为节点质量作用于其质心位置；e2. 基于疲劳荷载设计重现期的疲劳控制荷载、桩‑土非线性模型得到基础的线性刚度矩阵；e3. 基于步骤e1中的海上风机的整体结构简化模型和步骤e2中的基础的线性刚度矩阵，同时施加海上风机整体耦合分析得到的疲劳荷载和计算参数设置文件，开展风机荷载、波浪荷载联合作用下的海上风机整体结构动力反应分析；e4. 基于海上整体结构动力反应分析得到结构各关键节点的等效应力时程，以及设定的疲劳分析文件，开展风浪联合作用工况下的结构疲劳计算；e5. 读入联合分析接口生成的多工况并行计算文件，进行多工况并行计算；f. 依据雨流计数法、S‑N曲线得到不同设计风速及对应波浪荷载联合作用下的结构疲劳累积；g. 依据海上风机结构的疲劳累积准则，得到海上风机结构的长期疲劳累积；h. 该系统中基于半整体方法的海上风机疲劳分析模型，具体计算过程如下：i. 利用有限元软件ANSYS或ABAQUS建立风机基础结构的有限元模型，输出得到基础结构的质量和刚度矩阵；j. 利用基于FORTRAN开发的基础超单元计算程序SELEMENT，读入i中的基础结构质量和刚度矩阵，采用C‑B方法进行缩聚，得到风机基础超单元矩阵；k. 所述的步骤j中的基础超单元计算程序SELEMENT包含以下特征：k1. 基础超单元前处理模块；k2. 基于C‑B方法的超单元计算主程序模块；k3. SELEMENT‑FAST程序接口模块；l. 基于j中的超单元矩阵，在FAST V7.0中建立叶片‑轮毂‑机舱‑控制‑塔筒‑超单元的半整体模型, 依据疲劳设计工况和风机规范推荐的风谱生成疲劳计算所需的风速时程文件；m. 启动FAST‑SACS联合分析接口，首先对FAST V7.0输入文件的有效性进行检查，调用FAST V7.0开展风荷载作用下的结构动力反应分析，得到风荷载作用下的结构反应；n. 在FAST‑SACS联合分析接口中指定SACS 5.7的计算类型，读取FAST结果文件，依据指定的分析类型生成计算所需的塔筒底部风机荷载和计算配置文件，存放到指定工作目录；o. 在SACS 5.7中建立海上风机基础结构模型，读入n中的风机荷载文件和计算配置文件，依据设计波浪要素设置波浪谱参数生成随机波时程，开展风机荷载、波浪荷载联合作用下的风机基础结构动力反应分析，得到基础结构等效静力荷载；p. 所述的步骤o中SACS 5.7中的基础结构有限元模型基于疲劳控制荷载、桩‑土非线性模型得到基础的线性刚度矩阵；q. 采用雨流计数法、S‑N曲线得到不同设计风速及波浪要素联合作用下的风机基础疲劳累积；r. 依据海上风机疲劳累积准则，得到风浪作用下风机基础结构的长期疲劳累积；s. 基于步骤f和步骤r的计算结果，进行海上风机耦合疲劳分析方法和半整体疲劳分析方法的对比。