雨流计数法在风力发电机组疲劳寿命计算中的应用

雨流计数法在风力发电机组疲劳寿命计算中的应用

摘要：本文围绕疲劳寿命计算和雨流计数法展开，详细介绍了对雨流计数原理的理解步骤，对疲劳寿命计算流程做了一个整体的概括，本文旨在讲述雨流计数法统计全循环的步骤。风电材料设备

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1 引文

众所周知，风力发电在我国取得了长足的发展和进步。但是，目前我国还没有完善的技术标准和认证体系。风电产品的质量是风电设备制造企业的生命线，而建立标准和开展产品检测认证则是保障风电设备质量的有效手段。因此，我国急需健全、完善和提高风电技术标准和检测认证体系，为风电设备的质量提供保障和监督。由此可见，建立我国自主的风电机组评价体系和产品的认证机构就显得尤为重要。建立这些除了需要必要的财力物力之外，还必须要有大批量的掌握结构设计、载荷评估、寿命计算、热力学、振动学等知识的技术人员。

2 疲劳寿命计算

结构设计计算或者评估一般要进行极限强度计算、疲劳寿命计算、振动分析、热平衡计算等。本文主要围绕疲劳寿命计算叙述，根据所进行的分析以及所必须的已知条件，可以把疲劳寿命计算的步骤归纳为以下流程图[1]。疲劳寿命计算根据载荷谱不同可分为三种情况：恒幅载荷作用下的疲劳寿命计算可以直接利用S-N曲线；变幅载荷下的疲劳寿命计算可以运用MINER理论进行等效计算；随机载荷是个比较复杂的情况，首先要将其转化为恒幅或者变幅载荷谱，然后再进行计算。

疲劳寿命计算的一般方法是：

①首先获取相关零件的材料性能、几何形状、加工工艺、装配过程和加载历程等信息，应用有限元结构分析技术（静强度分析）来判断可能发生破坏的位置（即危险点）；然后利用软件后处理来确定在施载荷条件下的局部应力——应变响应；

②获取工作载荷谱：对于复杂的加载历程（主要指随机载荷历程），可用循环计数法对载荷进行分析、处理，得出统计规律。

③最后结合零件或材料寿命曲线以及载荷谱进行疲劳寿命分析，以获得疲劳寿命的预计值。对照分析

得到的预计值和设计要求值确定是否修改设计。

3 载荷谱的获取

从风场获取的随机载荷谱（如图2）很不规律，且对于疲劳分析来说有很多可以删除的无效数据，必须要对其进行统计处理；比如用雨流计数法做统计处理，提取出不同幅值，不同平均应力的循环；得到应力幅值和均值后，选择合适的修正方法、疲劳理论、估算方法、和S—N曲线进行疲劳寿命计算。

3.1 计数方法对比

将在风电场所测得的随机的、不规则的载荷时间历程曲线或者数据表转化为一系列循环的计数的方法很多，有峰值计数法、变程计数法和雨流计数法等等。峰值计数法对所有峰值的数目进行统计计数，这种方法夸大了载荷对零件的损伤程度，设计结果会比较保守，不利于节约成本；变程计数法(振幅计数法)考虑了影响零件寿命的振幅因素,但忽略了载荷的静态分量。在波形计数的各种统计法中，被国际上广泛用于疲劳强度设计的是雨流计数法，它被认为最符合材料的疲劳损伤规律[2]。这种方法把整个载荷——时间历程中出现的应力幅范围划分为若干个等差的应力幅级别，然后统计出各级应力幅级别内所出现的循环次数，从而得到载荷——频次曲线等各种形式的载荷的统计结果。中国风电材料设备网

对于雨流计数法，在很多有关疲劳分析的文献中都会有所叙述，但是很多都是照搬原话，对于初步学习载荷谱的技术人员来说，经常看得是模棱两可，一知半解。本文在查阅了诸多文献和论文之后，总结了理解雨流计数法的步骤，清晰易懂。风电材料设备

3.2 雨流计数法

取得随机的时间载荷历程曲线（举例说明，如图3）之后：

①将曲线顺时针旋转90°，把波峰、波谷想象成一系列房檐，让雨水在上面流动，根据雨流迹线来确定载荷循环；

②雨水起流原则：雨水依次在每个峰值或谷值的内侧（相对图3而言）或者上方（相对图4而言）沿着斜率方向流下，如图4所示：第一个雨流从1的内侧（上方）开始，第二个雨流从峰2的内侧（上方）开始，也就是说雨水在屋檐之上流起；

③雨流停止原则Ⅰ：凡是起流于波谷的雨流遇到比它更小的谷值（代数值）便停止，凡是起流于波峰谷的雨流遇到比它更大的峰值（代数值）便停止，如图中的始于波谷1的雨流止于7，而始于波峰2的雨流止于止于6；雨流停止原则Ⅱ：雨流凡是遇到上层房檐留下的雨时就停止，如图中始于波谷5的雨流止于2′，始于波峰4的雨流止于3′，始于波峰8的雨流止于7′，始于波谷13的雨流止于10′；

④根据上面得到的雨流的起点和终点，凡构成一个闭合的雨流迹线的形成一个全循环，取出所有的全循环，并记录它们的峰值或谷值。

⑤以上进行的是雨流计数的第一阶段，得到的结果是一个按照雨流计数法无法继续计数的发散—收敛波，如图5，要继续进行计数，就需要把此波改造成使之能使用雨流计数原则的收敛—发散波，并取出剩余的全循环，这就是雨流计数的第二个阶段。

⑥雨流计数法的全部计数结果，等于这两个阶段计数之和[3]。

3.3 计数程序化风电材料设备

根据雨流计数原理，可以编制计算机程序完成随机载荷时间历程的统计，继而得到载荷谱。目前运用比较广泛的是bladed软件，当然这只是该软件的一项功能。风电材料设备

对于做疲劳寿命分析的技术人员而言，可以运用模块化的软件完成载荷谱的获取；但是对于做载荷谱分析和研究的人员来讲，深刻理解并完全掌握雨流计数是非常必要的。

4 结论

本文针对疲劳寿命计算和雨流计数法展开，详细介绍了对雨流计数原理的理解步骤，对疲劳寿命计算流程做了一个整体的概括，具体理论和实践会在后续的文章中探讨，希望可以对广大结构设计和计算人员起到抛砖引玉的作用。风电材料设备

参考文献

1 王碧石,孙黎,王春秀.风力发电机齿轮箱扭力轴的疲劳分析[J].机械设计与制

造,2009(9):155-157.

2 王宏伟，邢波，骆红云. 雨流计数法及其在疲劳寿命估算中的应用[J].矿山机械，2006(3)：95-97.

3 李怀林.用雨流法计算核电站部件材料在随机载荷下的疲劳损伤[D]. 北京:中国原子能科学研究院硕士学位论文,2001.

作者：孙黎，男，1984年生于山东济南，硕士，主要研究方向为有限元分析、数控技术，现从事风力发电机组齿轮箱的相关工作。