风力机塔架基础环疲劳强度分析.pdf

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1、第33卷第7期太阳能学报V01．33．No．72012年7月ACTAENERGIAES0LARISSINICAJu1．，2012文章编号：0254-0096(2012)07—1123-08风力机塔架基础环疲劳强度分析范洪军，王建峰2，金全洲，金家坤(1．中国船级社武汉规范研究所，武汉430022；2．国电联合动力技术有限公司，北京1ooo44)摘要：为了评估某风力机塔架钢结构基础环穿筋孔细节的疲劳强度，采用中国船级社(CCS)《风力发电机组规范》规定的轧制件简化疲劳分析方法，根据结构的载荷特征、材料的静强度、缺口疲劳系数、尺寸效应和材料表面影响系数等参数，偏保守地人工合成正应力和剪应力

2、应力幅一循环次数曲线(S一Ⅳ曲线)，并根据存活率、腐蚀环境和低应力幅对损伤的贡献等因素，对S—N曲线进行缩减和修正。使用等效恒幅应力幅，根据修正的S—N曲线对结构进行疲劳分析。结果表明，疲劳缺口系数和综合表面影响系数是影响S一Ⅳ曲线合成的主要因素。相对应力梯度的计算应基于实际应力分布拟合出多项式曲线；综合表面影响系数各分量应根据实际情况取值。基础环穿筋孔细节在设计寿命期内的最大累积损伤为0．042。关键词：风能；风力机；塔架；基础环；疲劳强度；S—N曲线中图分类号：TK81；TU33文献标识码：A0引言陆上风力机塔架承受的交变载荷主要源自于风直接作用于塔架的气动载荷、风作用于风轮传递到

3、塔架的载荷和风轮运转过程中产生的振动。与飞机、桥梁等承受交变载荷的结构相比，风力机结构在设计寿命期内承受了更多的应力循环次数，风力机结构的使用寿命主要取决于重要构件的疲劳寿命¨“。早期设计的风力机对疲劳重视不足，导致图1基础环结构构造疲劳失效频发，如美国加州风电场的风力机就曾发Fig．1Detailoffoundation—towertransitionalring生多起疲劳失效事故∞J。评估焊接结构焊趾处的疲劳强度中应用较广泛，而风力机塔架结构塔基部分的动载荷幅值较大，在其他结构形式中的应用尚有待研究。本文基于使得塔基附近的结构构件疲劳问题成为结构设计的ccs<<风力发电机组规范》规

4、定的简化疲劳评估方主要问题之一。在结构设计中，为了保证钢结构塔法，采用名义应力S一Ⅳ曲线法对某大型风力机塔架架与钢筋混凝土基座之间的连接便于施工，通常在结构的轧制基础环进行疲劳强度分析。塔架根部设计塔基与塔柱过渡的基础环结构，塔架1等效恒幅疲劳载荷与基础环通过法兰连接。基础环上一般开有穿筋孔(图1)以保证与钢筋混凝土基座的连接可靠。为了实际作用于风力机结构上的载荷为变幅载荷，减小应力集中，开孔通常为椭圆形，并使椭圆的长轴且其中有很大一部分为随机载荷(如风载、地震载与正应力方向一致。尽管如此，椭圆穿筋孔周围仍荷)，在结构内部产生变幅应力和随机变幅应力，采存在一定程度的应力集中，使其成为疲

5、劳危险细节。用变幅载荷进行结构设计是一种精确的方法。现阶使用sJ7v曲线评估结构疲劳强度的方法分为名段采用根据变幅载荷谱等效生成的恒幅载荷进行结义应力．s一Ⅳ曲线法和热点应力s一Ⅳ曲线法。后者在构细节的疲劳强度验算也是一种简便、快速、相对准收稿日期：2010~8—11通讯作者：范洪军(1981一)，男，硕士、工程师，主要从事桥梁与结构工程理论应用方面的研究。fanhjhi@yahoo．COIn．cn太阳能学报33卷确的方法’。本文采用等效恒幅载荷对基础环进行疲劳分析。变幅载荷谱一般通过两种方法得到，一种是借助于已有的类似结构或模型，在使用或模拟使用条件下，进行应变测量得到各典型工况组合

6、下的载荷谱；另一种是根据设计目标分析，结合经验估计出载荷谱。在得到变幅载荷谱后，根据累积损伤理论等效生成恒幅疲劳载荷△。本文根据Palmgren—Miner线性累积损伤理论等效生成恒幅载荷，如式(1)：上a．塔架坐标系△：＼一niAFmI(1)Ⅳ／式中，ni——变幅载荷△作用的次数；m——双对孚数一，、，曲线斜率的负倒数；恒幅载荷循环总Z砉数。其等效过程的示意如图2。嗣骚行姆姆载荷幅载荷幅图2等效恒幅载荷生成示意b．等效恒幅弯矩和扭矩Fig．2Schematicgenerationprocessofequivalentconstant—amplitudeload在平均应力=0(应力比R

7、=一1)下得到的基础环顶部等效恒幅载荷如图3，恒幅载荷循环总数为10次。Z2人工合成S-N曲线暴对于焊接结构，规范根据不同的焊接细节规定楹了一系列直接可用的S一Ⅳ曲线。这是因为焊接细节局部存在与材料屈服强度水平相当的焊接残余拉应力，使得结构在承受交变载荷过程中，其平均应力维持在屈服强度附近，从而使应力幅成为影响疲劳寿C．等效恒幅剪力和轴力命的唯一因素。加上焊接细节类型的数量有限，则根据试验确定规范直接可用的Is一Ⅳ曲线相对容易。图3等效恒幅载荷