风力机塔筒结构纵焊缝疲劳寿命预测

风力机塔筒结构纵焊缝疲劳寿命预测
林朋远;孙鹏文;郜佳佳;李双荣
【摘要】The welding fatigue strength of the tower,which is an important part of large-scale wind turbines,can directly affect its running safety and reliability.A fatigue life prediction method of the tower's longitudinal welding is proposed in this paper.Under the precondition of satisfying the limit strength,time series stress at various operating conditions is obtained by DIN18800-4 stress calcula-tion,and the fatigue life of the tower's longitudinal welding is analyzed with the binding of the rain-flow counting method and the Miner linear cumulative damage theory.The results show that the tower structure satisfies the requirement of design.The feasibility and effectiveness of this method is verified.%塔筒作为大型风电机组的重要基础部件,其焊接部分的疲劳性能直接影响风电机组的安全可靠运行.提出了预测塔筒结构纵焊缝疲劳寿命的方法,在其满足极限强度的前提下,通过DIN18800-4截面应力计算获得各工况时序应力,结合雨流计数法和Miner线性累积损伤理论,预测塔筒纵焊缝疲劳寿命.结果表明:塔筒结构满足设计要求,验证了该方法的可行性和有效性.【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(036)002
【总页数】6页(P137-142)
【关键词】风力机塔筒;纵焊缝;疲劳寿命预测;极限强度分析
【作者】林朋远;孙鹏文;郜佳佳;李双荣
【作者单位】内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051;内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051;内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051;内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051
【正文语种】中文
【中图分类】TH12
风电机组所受载荷具有交变性和随机性,其使用寿命主要取决于关键零部件的疲劳寿命[1]。

作为风电机组的主要支撑部件,塔筒结构的安全可靠性是确保其正常工作的关键因素之一。

塔筒的制造工艺为数控切割机下料,卷板机卷板成型后,进行内外纵焊缝焊接而成。

由于焊接结构和焊缝空间布置特点而产生应力集中,且在长期随机动载荷作用下,易发生疲劳破坏,使得焊缝成为整个结构疲劳强度的薄弱部位。

国内外学者对风力机塔筒的结构和疲劳特性所进行的研究主要有:N.bazeos等[2]以450kW水平轴风力机为对象,验证了改进的有限元模型,提高了塔筒结构静态特性和屈曲强度分析的精度。

彭文春[3]等用AR法模拟脉动风,基于ABAQUS协同仿真平台对风力机进行了流固耦合分析。

龙凯等[4]提出了时序疲劳损伤和等效疲劳损伤2种不同的计算方法并推导了等效疲劳载荷、等效疲劳应力与等效疲劳损伤的计算公式;针对某一截面进行了等效疲劳损伤和时序疲劳损伤分析计算和结果对比,给出了两者等价性条件与适用条件,但并没有根据塔筒所处的实际工作环境对其纵焊缝进行疲劳寿命分析。

为此,在塔筒纵焊缝满足极限强度的前提下,采用基于S-N曲线的全寿命分析法,以时序应力谱为基础,进行雨流计数及Miner线性累积损伤计算,得到各工况疲劳寿命和疲劳损伤值,最后与各工况频次累积求和并预测寿命,探究适用于塔筒结构纵焊缝的疲劳寿命预测方法,具有重要的工程应用价值。

以某2.0MW风力机塔筒为对象,整个塔筒由26段不同板厚的钢材焊接而成,各段
之间由L型法兰通过螺栓联接而成;其几何参数为:高度73110mm,底部直径4200mm,顶部与底部直径差1800mm,壁厚32mm。

根据GL2010规范,塔筒坐标系如图1所示。

2.1 DIN18800-4截面应力计算方法
塔筒结构纵焊缝属于对接焊缝,应力集中程度不及角焊缝,完全可以在名义应力法的范畴给予解决。

此外,塔筒结构满足材料力学的基本假设,可采用材料力学应力计算公式求得截面应力值,但该方法忽略了塔的锥度。

为此,采用考虑塔筒锥度的
DIN18800-4截面应力计算方法,能够提高塔筒截面应力的计算精度[4]。

Bladed输出塔筒截面处载荷是三个方向的力和三个方向的力矩,其中Mx、My、Fz引起塔筒截面的正应力,而Mz、Fx、Fy引起塔筒截面的切应力。

根据DIN18800-4工程算法,塔筒截面的最大主应力的计算公式为[4]:
式中,θ-塔筒锥角,t-塔筒壁厚,mm;r-塔筒中径,mm。

塔筒截面的最大切应力的计算公式:
根据材料力学第四强度理论,主应力和切应力合成叠加后的等效应力最大值为: 2.2 塔筒结构纵焊缝极限强度分析
Bladed共输出34处不同高度下的截面极限载荷,为确保塔筒结构纵焊缝满足静强度要求,需对各塔筒高度下的截面极限载荷进行极限强度校核。

由于最大等效应力是导致塔筒结构破坏的主要原因,所以静强度分析主要对各极限工况的最大等效应力进行校核,通过比较安全系数的大小来判定结构是否满足极限强度要求。

安全系数计算公式:
式中,σmax-各极限工况下的最大等效应力,MPa;[σ]-许用应力,MPa。

许用应力的计算公式为:
式中,σS-材料的屈服极限,MPa;γM-材料的局部安全系数。

根据GL2010规范,在考
虑周期监测与维修且实施程度良好的情况下,元件失效导致风机破坏,取γM=1.15。

以塔筒底部截面(距地面0.6m)处极限载荷为算例,Bladed计算其极限工况共14个,其中包括x、y、z各方向的极限载荷与极限弯矩,以及最大等效力和力矩的对应工况。

根据DIN18800-4截面应力计算方法和安全系数计算公式,得到塔筒底部截面各极限工况的应力值及安全系数,如表1所示。

由表1可知,14个极限工况中最危险的工况是Mr_max和My_min,其安全系数都
是1.95,均大于1.0,说明塔筒底部截面的设计满足静强度要求。

以同样方法对其它33处塔筒不同高度处的极限载荷进行静强度校核,其安全系数都大于1.0,说明其它塔筒截面的设计均满足极限强度要求。

一般风电机组设计需要满足20年抗疲劳设计要求,因此,在塔筒截面焊缝满足极限
强度的基础上,需校核其疲劳强度。

根据GL2010规范,塔筒结构纵焊缝在给定应力水平的反复作用下,损伤可认为与应力循环呈线性累积关系,当疲劳累积损伤值D达到0.5时,则发生疲劳破坏[5]。

即:
式中,ni-载荷谱第i级载荷的计算疲劳循环次数-与第i级应力或应变相对应的循环
次数。

3.1 焊缝材料S-N曲线
根据GL2010规范[5]要求的焊缝材料S-N曲线,选取Erucode3标准作为塔筒门洞焊缝材料S-N曲线的基本形式,如图2示。

标准设计S-N曲线通常均指出结构在
2×106次循环下的疲劳强度,并将其定义为DC (Detail Category,疲劳级别)。

IIW对结构钢焊接接头疲劳强度推荐了3条S-N曲线[6],即DC71、DC80、DC90、DC100、DC112,在进行塔筒门洞焊缝疲劳强度分析时,偏于安全考虑,DC等级选择71。

由图2可知,通过焊接结构件S-N曲线与DC值可推导出S-N曲线任意循环次数所对应的应力幅值,即由2×106所对应的应力幅值DC可求出其他循环次数所对应的
应力幅值。

如ΔσD和ΔσB所对应的应力幅值计算公式分别为:
式中,m1,m2-指数斜率值,其值分别是3和5。

疲劳设计等级DC值不同,ΔσD和ΔσB的值也不同,根据IIW建议的疲劳设计等级,其ΔσD和ΔσB的取值如表2所示:
3.2 塔筒结构纵焊缝疲劳寿命分析
塔筒结构纵焊缝疲劳寿命分析流程如图3所示。

由Bladed输出法兰截面中心处各疲劳工况(根据GL2010规范,输出70组疲劳工况)的时序疲劳载荷谱,通过
DIN18800-4截面应力计算获得各工况的时序疲劳应力谱,应用Miner线性疲劳累积损伤理论和雨流计数法,计算得到疲劳累积损伤值,预测其疲劳寿命。

限于篇幅,只给出塔筒结构纵焊缝某工况的时序应力计算结果,如图4所示。

将计算得到的时序疲劳应力谱导入nCode Design-Life,并建立如图5所示的疲劳分析流程图,设置材料属性和S-N曲线,提交运算。

所得各工况疲劳寿命及累积损伤值(疲劳寿命的倒数)如表3所示。

塔筒纵焊缝20年疲劳累积的总损伤值,D=0.0116,其远远小于0.5(GL2010规范对于焊接结构规定的疲劳最大累积损伤值),满足风电机组20年的寿命设计要求。

以某2.0MW风力机塔筒结构为算例,对塔筒结构纵焊缝进行了静强度分析和疲劳寿命预测。

根据塔筒结构在工作过程中所承受的极限载荷,得到了各极限工况下塔筒纵焊缝的最大等效应力值,结果表明塔筒纵焊缝在各极限工况下,安全系数均大于1.0,满足静强度要求。

结合风机塔筒结构实际工作过程中所受的时序疲劳载荷谱,基于DIN18800-4截面应力计算方法对其进行疲劳寿命预测及累积损伤计算,根据GL2010规范要求,选取焊缝材料的S-N曲线。

结果表明,塔筒纵焊缝20年疲劳累积总损伤值为
0.0116<0.5,满足要求。

所提出的方法可作为风力机塔筒纵焊缝强度设计与分析的
实用手段之一。

* 通讯作者：孙鹏文(1966-),男,内蒙古人,博士,教授,研究方向:机电装备设计与制造,复合纤维风力机叶片结构分析与优化。

【相关文献】
[1] 张峥,陈欣.风力机疲劳问题分析[J].华北水利水电学院学报,2008,29(3):41～43.
[2] N.Bazeos,GD.Hatzigeorgiou,I.D.Hondros,et al.Static,Seismic and Stability Analyses of a Prototype Wind Turbine Steel Towel[J].Engineering Structures,2002,24(8):1015～1025. [3] 彭文春,邓宗伟,高乾丰.风机塔筒流固耦合分析与受力监测研究[J].工程力学,2015,32(07):136～142.
[4] 龙凯,毛晓娥.大型水平轴风力机塔筒焊缝强度分析[J].太阳能学报,2014,35(10):1981～1987.
[5] Germanischer Lloyd in cooperation with the Wind Energy Committee.Guideline for the Certification of Wind Turbines[Z].Hamburg:Germanischer Lloyd,2010.
[6] A.Hobbacher.IIW document XIII-2151-07/XV-1254-07,Recommendations for Fatigue Design of Weld Joints and Components[Z].Paris:International Institute of Welding,2007.。