海上风力发电工程钢结构疲劳分析

海上风力发电工程钢结构疲劳分析

俞剑勇!等(海上风力发电工程钢结构疲劳分析

海上风力发电工程钢结构疲劳分析0

俞剑勇!张艳芳

王铭飞

海洋工程股份有限公司!天津!2"!天津大学!天津!2!"//564///Q.

摘!要!结合我国首座海上风力发电项目!就设计中的钢结构疲劳问题进行分析!包括选取结构类型#分析疲劳设计方法#获取热点应力和@P’曲线的使用等"可为钢结构抗疲劳设计提供借鉴"关键词!风力发电!疲劳!热点应力!@P’曲线

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//Rb风力发电机组在历时4年!!我国首座46

的紧张设计和施工#于.//Q年底由中海油海工公司成功安装在渤海绥中2开始满功率运OP4油田上#转发电!图4"

%

的塔筒底部产生的动荷载较大#其幅值远大于波浪在结构上产生的动荷载#使结构的疲劳问题成为结采用近海工程常用的构设计主要问题%分析表明#

钢管结构直接支撑塔筒不能满足抗疲劳要求#故采用构造较为复杂的板焊接结构作为导管架帽主受力体系进行设计%

8!分析方法

除断裂力学分析外#工程中常使用基于@P’曲线的线性疲劳损伤理论进行疲劳设计$

!"$’$$98;$43)777

@P’曲线给出了结构在断裂破坏前抵抗循环

图4!风力发电机全貌

应力3而这个次数’受细部的几)作用的次数’#何组成&应力方向&焊接方式和质量等因素影响%此

()次结构的疲劳设计采用了W312规范提供的@P

海上建立风力发电设施与陆地相比在技术上有很多不同%在结构上#除一个高耸的风机塔筒外#还需要一个坐落在海底之上#并伸出海面的平台结构体系来支撑风机塔筒和布设设备%由于在预装海域处有一座停止使用的平台导管架#经过评价#重复利用作为下部的支撑结构具有足够的安全裕度#于是#采取在旧导管架上设计一个称之为*导管架帽+的二层平台结构#在其上安装塔筒和风机及扇叶的方案%7!结构疲劳问题

通过时域风场分析#当风机扇叶运转中在高耸

"#10!"##$%&’(")*+",&’-.//0!&$-.2#3&-44/

它包括了一组考虑不同影响因素的@P’’曲线#

曲线簇!图."%

这组@P’曲线可以分为两类#一类是在名义应力加应力集中系数下使用的@P’曲线#另一类是在热点应力下使用的@P’曲线!%第二D曲线"种曲线使用需要采用有限元的方法#但适用范围更

\‘VP_3g>P//4P0中国海上风能开发利用研究项目!

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第一作者$俞剑勇!男!4NQ/年44月出生!工程师

$=J;,$;,$-+&&#+-+&J-+’*B?B!J收稿日期$.//0P/5P/2

5N

海上风力发电工程钢结构疲劳分析

工程设计

广#适合较为复杂的板式结构导管架帽的设计!图"

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为常幅等效疲劳荷载进行疲劳分析!式!""

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图5!

热点应力线性外推

图.!W31推荐的钢结构细部@P’

曲线簇

图6!塔架坐标系统

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图2!主结构有限元模型

在转化过程中#等效疲劳荷载的大小与@8’

9!热点应力的确定

焊趾处在几何上相当于缺口#局部应力大#是疲劳裂缝主要生长的地方%由于D曲线已包含了缺口的影响#所以只需要考虑焊趾处的热点应力%热点应力为表面在焊缝垂直方向O/l范围内的主应其向焊趾处逐渐增大%由于焊趾处的热点应力力#

不能通过单元结点直接读取#为取得最大值#需用焊趾邻近的单元应力向焊趾处外推#单元尺寸足够小时#可采用线性外推!图5"#!W31推荐一个板厚"否则#采用二次外推%此外在单元类型选择上#通常使用壳单元#但由于在计算中可能会采用较小的单元尺度#所以壳单元应具有剪切变形的能力%;!!C"曲线的选取

疲劳荷载来自通过塔筒根部传递下来的风机运转过程中产生的组合状态下的动荷载!图6"#其形式为不规则随机过程#不能直接对应@P’曲线的常幅荷载#需通过雨流计数#将不规则疲劳荷载平均6/

曲线所用的负斜率;有关#等效疲劳荷载;值越大#

越大%而选用的W即31推荐的D曲线有两个;值#分别对应截距$.-4O5和;$2和;$6#97;$2$4R表明材料在不同的应力水平下#$96-O/O#7;$6$4R

表现出不同的疲劳特性#;$6对应较低的疲劳应力!见图."#所以选择#.-O5^D;D曲线为不大于6

;$2的一组等效荷载计算其在结构中产生的疲劳应力#根据疲劳应力的大小来确定采用哪一组等效荷载进行疲劳评价%如果最大应力位于;$6的范

可用较小的等效荷载进行疲劳评价.如果位于围内#

则偏于安全地取较大的一组等效;$2的范围内#荷载进行疲劳评价%采用上述方法#最大疲劳荷载发生在风机塔筒与导管架帽相连的根部#并且应力位于D曲线;$6的范围%

>!有限元分析

根据所处渤海海域设计环境条件#计算出风机操作工况下通过塔筒底部作用在导管架帽上的循环

钢结构!.//0年第0期第.2卷总第44/期!

海上风力发电工程钢结构疲劳分析

俞剑勇!等(海上风力发电工程钢结构疲劳分析

Q

荷载P时间历程#将4次的循环次数等效为常幅/

疲劳荷载!见表4"#按结构的正向和斜向施加在主筒顶部%

表7!风机等效循环荷载

;

5H’

5I’

5J’

EH’

R34Q6-2

EI’

R305-6

’EJR3O4-6

图O!应力云图!^D;

!R30J"!R30J"!R30J"

625NO-5Q254-542O0-0

图2"为中心!!支撑风机塔筒的导管架帽主结构!设置塔筒#壁厚2四腿支撑#直径为0"O/JJ#壁厚2主筒与主腿之间采用两层4.4NJJ#0JJ#箱形梁连接#层高5J%箱梁翼缘厚2腹板厚0JJ#翼缘间设2主腿之.6JJ#0JJ厚水平加强环板#间用水平撑杆加强结构整体性#撑杆直径6/0JJ#壁厚.6JJ%主结构两侧悬挑出两层附属甲板用于布置设备%

有限元模型采用!单元尺度为4:#$$404单元#个板厚左右#四腿固支#计算完成后读取第一主应力#最大值出现在加强环边缘#如图O%最大焊缝;应力出现在腿部与加强环连接的根部#如图O%为E取得该处热点应力#读取相邻两个单元中点的应力#为2单元长度2线性/-4^D;和.Q-2^D;OJJ##插值到焊趾处的应力为2由式!"#相应的44-6^D;

Q预期断裂循环次数为5次#满足9-.4c4/DK规范

了名义应力加应力集中系数的计算方法#由程序自动进行#使用9DK规范提供的@P’曲线%对于个别疲劳安全储备不足的焊缝#采用焊缝打磨仿形#可使其满足要求%

A!结!语

本次设计通过选择适当的疲劳@P’曲线#结解决了风力发电设施在海上的结构合有限元方法#

设计疲劳问题%实践证明#这种方法是可行和有效的#可以为其他类似钢结构疲劳分析提供借鉴%

参考文献

#4!Y#*$*A,’;^;)#’$#’Y&’;G3&"+:=88#+"(,’V;",*#;’<BD77??7

$#V);+"*)#GZ&’<&’\$*I#)9+;<#J,+D*E$,(:#)(.//4船舶及海洋工程结构的断裂与疲劳分析G北京$海洋出版.!郑学祥G

社#4N0031MUDM%./2GV;",*#W#(,’&8f88(:&)#!"##$!")*+"*)#(G2!W77W31#9@YG.//6#W5!9MDKUD.9Mb!WGU#+&JJ#’<#<D);+",+#8&)D$;’’,’#(,77

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#!")#((W#(,’G9DK.//.7瞿履谦G钢结构///原理与设计G北京$清华大学出版社#6!王国周#

4NN2

.倍疲劳寿命的要求%

@!管节点疲劳

其他构件包括除与塔筒连接部分采用板结构#主腿#仍然采用简单的管结构形式#其疲劳分析采用

*************************************************

聂建国G钢P混凝土组合梁的受扭试验与抗扭极限分析G0!胡少伟#!上接第56页"

6!>,(:;);9GU#,’8&)+#<%&’+)#"#U#+";’*$;)%&$*J’(,’C&)(,&’G7

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#!"##$M%&’+)#"#%&J&(,"#>#;J(GK’<,;%&’+)#"#‘&*)’;$4N0/F!"$20/P02

钢P混凝土组合结构G郑州$黄河水利出版社#Q!胡少伟G.//6

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聂建国G抗扭钢P混凝土组合梁的构造要求和设计过程GN!胡少伟#

!建筑结构#"$4.//O5NP6.

聂建国#朱林森G钢P混凝土组合梁复合弯扭作用下约束4/胡少伟#

扭转的非线性分析G工程力学#!"$.//6.4P6

!信!息!

材料与结构最新进展国际会议8==F力学!

国际实验力学学会主办#浙江大学承办的.材料与结构最新进展国际会议将于.//0力学&//0年!!由美国自然科学基金委&

包括以下几个具体方向!但不局限于此"$实验力学.44月OPQ日在杭州举办%会议主题倾向于相关领域的前沿和热点课题#

力学分析.新型材料.新型结构.微结构.结构计算机技术.结构控制.健康监测%会议摘要截至.录用通知为//0年0月4/日.#论文全文截至N月2会议组织者$罗尧治#0月./日./日%论文的格式模板可从会议的官方网站下载$IIIG;JJ(.//0G&)7%联系方式$许贤#电话$电子邮箱$/6Q4P0QN6.25N#9^^!.//0!L*G#<*G+’?"#10!"##$%&’(")*+",&’-.//0!&$-.2#3&-44/

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1cwe.html