海上风机支撑结构时域疲劳研究.pdf
《海上风机支撑结构时域疲劳研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《海上风机支撑结构时域疲劳研究.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第45卷第19 期2023年10 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.19Oct.,2023海上风机支撑结构时域疲劳研究窦培林,王晨昊,容学苹(江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江2 12 10 0)摘要:海上风机在实际工作中会受到多种交变载荷的影响,长期处于这种环境下,风机结构物会产生疲劳破坏。基于时域分析及雨流计数法理论,采用5MW风机为研究模型,设计风机在某工况下,采用理论计算和仿真模拟2 种方法对风机支撑结构进行研究,并将结果进行分析比较,得出结构物时域疲劳随风、浪、流的变化规律情况,为海上风机的设计与建造提供参考依据。关键词:海上风
2、机;疲劳破坏;时域分析;雨流计数中图分类号:TK83文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)19-0 111-0 7Research on time area fatigue of offshore fan support structure(School of Shipbuilding and Marine Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212028,China)Abstract:Offshore fan in practical work will be affected
3、by a variety of alternating loads,long time in this environ-ment fan structure will produce fatigue damage,Based on time domain analysis and rain flow counting method theory,using5MW fan for research model,the design fan under a certain condition,using theoretical calculation and simulation of the f
4、ansupport structure,and the results analysis and comparison,concluded that the structure time domain fatigue wind,waves,flow changes,provides a reference for the design and construction of offshore fan.Key words:offshore fan;fatigue damage;time domain analysis;rain flow counting0引言海上风机支撑结构长期处于各种交变载荷
5、的作用下,在经过足够多的循环之后支撑结构会形成裂纹,随着交变载荷循环次数的增加,裂纹不断发展扩大,最终结构将无法正常运行并产生断裂破坏。因此,对于海上风机支撑结构在服役期正常运行情况下,受到外部海洋环境载荷作疲劳损伤分析,具有重要意义。Stieng等2 对于不同外部海洋环境条件下的海上风机疲劳热点位置以及分布概率进行研究,得出海上风机结构在波浪载荷单独作用下的疲劳损伤值大于单独风载荷作用。而且风浪载荷耦合作用下,海上风机的基础结构相较于塔架结构对疲劳更加敏感。Nispel 等3在对海上风机疲劳热点位置分布概率的分析基础上,对海上风机疲劳热点出现的位置提出了新见解。孟繁鑫4在建立海上风机导管架式
6、的基础上,忽略海流载荷的作用,仅对风浪联合作用下导管架式海上风机支收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 8作者简介:窦培林(196 4),男,硕士,教授,研究方向为船舶与海洋工程。文献标识码:ADOU Pei-lin,WANG Chen-hao,RONG Xue-pingdoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.19.020撑结构的时域疲劳进行分析,并提出一种管节点的优化方法。王德如5 建立了海上风机三桩式支撑结构,对风浪联合作用下的海上风机支撑结构疲劳进行分析,得出风机支撑结构在极限载荷下的疲劳寿命。本文以美国能源国家实验室NREL开发的5MW海上风机单桩式支撑结构
7、为研究对象,对海上风机支撑结构在风浪流共同作用下的疲劳损伤进行时域分析和理论验证计算,探讨了海上风机结构物时域疲劳随风、浪、流的变化规律情况,为后续海上风机的设计与建造提供参考依据。1时域疲劳分析理论MLife是由NREL开发的风机疲劳计算软件,能够在考虑流风场变化、风机运行状态变化下,完成风机在运营期内结构的疲劳损伤计算6 。MLife通过内嵌雨流计数法统计得到对应应力时程112:的幅值和循环作用次数,并确定对应应力幅值下结构所能承受的最大循环作用次数:(Lut_LMFmN;=式中:Lull、LM F分别为构件极限设计荷载、修正后的荷载平均值;m为材料wholer指数,m=3;LRF为LMF
8、对应的荷载幅值,计算式为:IMFLRLull-LM式中:LM为第i个荷载循环均值;LR为第i个荷载循环幅值。基于Miner疲劳线性累积损伤理论,MLife计算海上风机支撑结构的疲劳损伤累积,公式为(3)式中:D;为单个应力幅值的疲劳损伤值。运营期内风机支撑结构总的疲劳损伤为:(4)式中:N为最大允许循环作用的次数;为疲劳荷载循环作用次数;i为计数序列编号;j为时间序列编号。2模型建立与载荷施加2.1模型概述基于FAST建立整体模型,输出VTK文件。通过ParaView软件,对模型进行可视化处理7 。计算模型如图1所示,风机具体参数如表1所示。2.2工况设计海上风机分为正常运行状态、停机状态、紧
9、急停图15MW单桩式风机整体模型Fig.1 Overall model of 5 MW single pile wind turbine舰船科学技术表1NREL5MW风机参数Tab.1NREL 5 MW wind turbine parameters参数数据(1)额定功率/MW上风向额定风速/风轮定向11.4(upwind)ms-1切出风速/叶片数量3风轮直径/m126Lult轮毂高度/m(2)机状态3种不同的工作状态8。本文忽略极端载荷的影响,仅考虑风机在正常运行下,外部风浪流等海洋环境载荷对风机疲劳寿命的影响,具体工况设置如表2 所示。表2 工况设计Tab.2Design of worki
10、ng conditionsni轮毂位置风速工况编号平均风速/ms-DCL18DCL211.4,LifeDCL3DCL4DCL5DCL6DCL7DCL8其中,工况DCL1D CL4为正常4个风浪流耦合工况,工况DCL5D C L8 为风机在额定风速11.4m/s运行情况下,通过改变波浪人射角度、海流入射角度以达到考虑风浪夹角、海流夹角对风机整体响应的影响,而设置的对照工况。风速时程分布如图2 所示,不规则波高时程如图3所示。2.3计算流程计算流程图如图4所示。3计算结果与分析3.1MLife计算结果1)风浪流耦合工况DCL1DCL4,疲劳计算结果4组风浪流耦合工况DCL1DCL4对选定的3个节点
11、进行载荷内力时程转换,以与风浪流人射角度一致的第45卷参数数据切入风速/5m:s-1m:s-1额定转速/12.1r:min-i90机舱质量/kg240000波浪、海流参数有义波波浪周海流速夹角/夹角/高/m期/度/msl2.08.82.710.0143.24184.0611.42.711.42.711.42.711.42.7参数数据3塔筒质量/kg347460塔顶距水面87.6高度/m塔底距水面2510高度/m基础直径/m基础厚度/m0.06风浪浪流0.500.83011.5114.51.210.00.8310.00.8310.00.8310.00.836000000450900045090第
12、45卷1601401201008060402050Lateral position/m050图2 VonKarman风谱11.4m/s风轮平面风速时程分布图Fig.2Von Karman wind spectrum 11.4 m/s wind rotor plane wind42/0240100200300400500600时间/s(a)有义波高2.0 m4U/20240100200300400500600时间/s(c)有义波高3.2 4m图3不规则波波高时程图Fig.3 Irregular wave height time historyMLifeFAST叶片风载荷;波浪载荷;海流载荷风机整
13、体结构模型基础风机动力响应图4FAST联合MLife联合疲劳分析流程Fig.4FAST combined with MLife combined fatigueanalysis process0方向的热点应力时程为例,4个工况下0 方向节点的应力时程如图5所示。MLife通过得到的节点应力时程,输出了选定节点短期1s内疲劳损伤的次数,输出结果为Dshorti。海上风机支撑结构在其使用寿命服役期内会受到不同荷载工况的组合,为了能够精确地预测支撑结构的疲劳损伤,在进行疲劳损伤计算时,应当尽可能多地涵盖各种运行工况。通过各工况疲劳损伤值与其在窦培林,等:海上风机支撑结构时域疲劳研究201816141
14、2108644005006000100200300Time/sspeed time-history distribution42U/0一2-40100200300400500600时间/s(b)有义波高2.7 m4/20240100200300400500600时间/s(d)有义波高4.0 6 m关键节点应力时程雨流计数法伺服控制机舱塔筒C-B缩聚法113501801706050304020305005205405605580600时间/s(a)DCL1701605040302010500520540560580时间/s(c)DCL3图5风浪流耦合工况DCL1DCL4应力时程Fig.5Wind
15、-wave-current coupling condition DCL1-4服役期间发生的概率,进行叠加计算可得到海上风机支撑结构总的疲劳损伤值。各工况出现概率,基于海洋环境数据进行概率分析,各风速和波浪出现的概率如图6 所示。拟合得到各工况出现的概率为:DCL1为37.6%,DCL2为2 8.6%,DCL3为11.4%,DCL4为22.4%。各节点疲劳损伤状况如表3所示。计算结果表明,单工况下各节点的疲劳损伤随着气动载荷和水动力载荷的增大而增大,而对于同一工况下,不同角度下节点的疲劳损伤值差异变化幅度较小,节点1(0 方向)与节点2(45方向)损伤值相Goodman应力修正自主编程S-N曲
16、线关键节点载荷时程线性疲劳累计准则M500520540560580600时间/s(b)DCL270160B/5040302010600500520540560580时间s(d)DCL4stress time history等,略大于节点3(90 方向)。考虑安全系数S,海上风机支撑结构各节点总的疲劳损伤:节点1为0.0 36 17,节点2 为0.0 36 17,节点3为0.0 3594,均小于1,表明支撑结构在服役期内不会发生损坏。2)风浪夹角工况DCL5D CL6,疲劳计算结果DCL4工况下风浪夹角为45,海流载荷与波浪载荷的角度一致,DCL5工况下风浪夹角为90,海流载30%25%20%1
17、5%10%5%0%0510152025风速/ms-1图6 风和波浪出现概率Fig.6Probability of wind and waves60036%30%24%18%12%6%0%123456有义波高/m:114 工况编号DCLIDCL2DCL3DCL4总损伤疲劳DoalSYDioal工况编号短期疲劳损伤DshorlDCL22.38927E-11DCL53.0709E-11DCL63.0911E-11荷与波浪载荷角度一致,以节点1(0 方向)为例,其50 0 6 0 0 s热点应力时程如图7 所示。8017060504030500520540560580600时间/s(a)DCL5图7
18、风浪夹角工况DCL5DCL6热点应力时程图Fig.7 Time-history diagram of hot spot stress in DCL5-6 wind-waveangle conditionDCL5与DCL6均为对比工况,均不考虑在服役期间出现概率。各节点MLife计算疲劳损伤结果如表4所示。可知,在工况DCL5和DCL6条件下,各个节点的疲劳损伤值均大于工况DCL2,这说明风浪之间角度的改变对风机支撑结构疲劳损伤有较大的影响。工况DCL5最大疲劳损伤发生在节点2(45方向),疲劳损伤结果为0.0 2 537。工况DCL6最大疲劳损伤发生在节点3(90 方向),疲劳损伤结果为0.0
19、 2 533,这说明风浪角度的改变对海上风机支撑结构,在其相应角度下节点位置造成的疲劳损伤大于其他位置。舰船科学技术表3风浪流耦合工况下2 5年内疲劳损伤结果Tab.3 Fatigue damage results in 25 years under wind-wave-current coupling conditions节点1(0 方向)短期疲劳损伤Dshor单工况疲劳损伤D短期疲劳损伤Dshor21.10604E-110.008722.38927E-110.018 842.7727E-110.021867.33511E-110.057 830.024110.03617Tab.4 Fati
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 海上 风机 支撑 结构 时域 疲劳 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。