本報告是針對SL1500_ HT34風力發電機組的65米塔筒進行的疲勞分析,風區為S類風區(年平均風速為8.5 m/s,極限風速為50年一遇3秒陣風達到70 m/s)。
本報告采用的軟件分別是載荷計算軟件Bladed軟件和有限元分析軟件Ansys軟件。疲勞載荷及載荷譜來自于Bladed軟件的計算結果,應力集中系數的求解來自于有限元分析軟件。
對于塔筒疲勞分析可根據ENV 1993-1-1標準,可按照鋼結構疲勞載荷計算方法:S-N曲線的斜率分別為3和5,轉折點載荷循環次數為nD=5.0×106如下圖進行計算分析(m=4):
其中,根據ENV 1993-1-1標準,可得:
公式中參數
(1)轉折點對應疲勞載荷幅值△sD下的最大循環次數 nD = 5.0×106次;
(2)材料安全系數 gM = 1.15;
(3)DC(Detailcategory) DC=△sc;
是指在2百萬次循環載荷條件下對應的疲勞應力幅值。
(4)公式△sD=[DC×(2×106/nD)1/3]/gM×(25/t)1/4
上式括號[ ]內為不考慮修正的情況下,根據m=3可以得到
△sD=DC×(2×106/nD)1/3-標準的S-N曲線推導得到的
(其中,△sD對應循環次數nD;DC即△sc對應循環次數2×106)
1/gM×(25/t)1/4為考慮壁面厚度和材料安全系數
(5)transfer function( ..…. )是對安全系數的綜合考慮
下面就分別塔筒門、塔筒壁等處進行分析:
1、塔筒門疲勞分析
在單位載荷-彎矩Mnor=109Nmm作用下,經過有限元軟件分析得到塔筒門處的應力云圖如下:
通過應力云圖推算出塔筒焊縫的應力曲線如下圖中粉色曲線:
取出0.9倍塔筒壁厚度對應的焊縫應力值和1.5倍塔筒壁厚度下對應的焊縫應力值兩點做一條直線,則有焊縫厚度為0時的對應焊縫應力值為
smax=4.44 N/mm2
又有snor=Mnor/W
其中,W =(da4-di4)×p/32/da
da-塔筒外徑
di -塔筒內徑
得出:snor=3.13 N/mm2
因此得到應力集中因子為
SCF=smax/snor=4.44/3.13=1.42
考慮塔筒門的焊縫取DC=100,如塔筒壁厚為26 mm,則m=4情況下
等效疲勞載荷循環次數參考值為
nRev(DEL)=20×365.25×24×60×20.1= 2.11×108
轉折點處對應疲勞載荷值為
△sD=100×(2×106/5×106)1/3/1.15×(25/26)1/4= 63.44 MN/m2
根據整機載荷計算軟件得出m=4情況下的在塔筒門處沿截面周向每隔15度的等效疲勞載荷值如下表格所示:
等效疲勞載荷對應的最大循環次數為
nzul=[63.44/(4.44×10-3×5400.7)]4×5.0×106= 2.45×108
則轉折點的損傷系數為
Damage= 2.11×108 / 2.45×108=0.861
對于塔筒門附近的焊縫所受第i個疲勞載荷的最大循環次數可定義為如下:
Ni=[△sD/(transfer function(including notch factor)×DEL)]m×nD
其中,transfer function(including notch factor)= 106/W×SCF;
W-截面模量;
SCF-應力集中因子。
又從m=3和m=5折線可知:若上面公司中中括號里的分母(即傳遞函數與第i個等效疲勞載荷的乘積)小于分子△sD,則按m=5求解對應的最大循環次數Ni值;反之則按m=3求解對應的最大循環次數Ni值。
某第i個等效疲勞載荷值實際循環次數ni則按照Bladed軟件計算得到的Marcov矩陣統計得出。
根據疲勞損傷原理,若
D=∑ni/Ni
小于1,則說明塔筒的焊縫在20年里不會發生破壞;反之,則說明塔筒焊縫會發生破壞。
在塔筒門處如按上圖顯示的折線m=3和m=5來計算,則沿周向每隔15度得到的焊縫處疲勞損傷值如下表所示:
2、塔筒壁疲勞分析
2.1 在高度0.6米處塔筒壁的疲勞分析