专利名称：一种风力发电高塔系统的可靠度分析方法
技术领域：
本发明属于结构工程领域，特别涉及一种基于等价极值事件的风力发电高塔结构 安全可靠度分析。
背景技术：
海上风力发电高塔的外部环境是十分复杂的，受到风、地震和海浪的作用。而风力 发电机也有自己的运行状态，有其失效模式。在不同运行状态的时候，受到不同外部激励时 所产生反应是不同的。例如，有的情况是由强度控制，而有的情况又由疲劳极限限制。由于 风力发电机的运行状态和外部受力的复杂性，两者具有随机耦合特性，造成了相关设计规 范中的诸多工况。抗风动力可靠度是指结构在风荷载作用下满足规定功能要求的概率。在过去40 年中，基于首次跨越失效机制，发展了泊松过程法、马尔可夫法、FPK方程法、数值模拟法、随 机有限元法、Volterra级数法等一系列方法研究结构动力可靠度问题。最早，用于风力发 电高塔设计的可靠度方法是FMEA，故障树法和环境风险评估法。综合了上述各种方法，在 1995年发展了安全可靠度评估方法，对风力发电高塔进行安全评估。此后在上世纪90年 代，对桨叶的可靠度设计方法进行了一系列研究。在IEC 61400-1规范中运用并进一步细 化了基于可靠度的分项系数法。2003年，利用环境参数法来对风力发电高塔系统的风场进 行建模。与传统的用数值方法计算所得的外部荷载相比，此处包含了外部环境更全面的信 肩、ο上述几种方法都是在结构系统为线性、因而叠加原理可以应用的前提之下的。而 当结构系统为非线性时，要进行频域分析就必须首先对结构进行线性化处理，这必然导致 无法精确真实地反映结构动力特性。当前风力发电高塔系统设计方法多基于各部件的设 计，没有基于结构整体可靠性的设计方法，并且对于整体结构的非线性及荷载的随机性不 能准确反映。并且由于外部荷载的随机性，造成了用已有的分析方法不能对风力发电高塔 的可靠度进行客观的评价。终上所述，有必要考虑荷载的随机性和结构的非线性，确定荷载的随机参数，对风 力发电高塔进行整体有限元建模，得出较为可靠的可靠度分析结果，从而为实际的工程设 计提供可靠的计算和分析依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电高塔系统的可靠度分析方法，有效可靠地解 决了外部荷载随机性的问题，且利用等价极值事件原理计算出系统的可靠度。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是一种风力发电高塔系统的可靠度分析方法，其包括以下步骤选取风力发电高塔的外部荷载随机参数(随机参数根据选取的荷载模型选取)；选取或生成与随机参数对应的外部荷载；
在ANSYS系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型；将外部荷载输入ANSYS模型中进行动力响应分析；利用等价极值原理算出系统的可靠度。具体包括选取风力发电高塔的外部荷载随机参数；选取或生成η条风速时程作为随机参数对应的外部荷载，并且确定每条时程的概 率；在ANSYS系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型，具体是包括桨叶、转子、机 舱和塔体在内的系统“一体化”模型；将选取的风速时程输入ANSYS模型中进行动力响应分析，计算得到对应的η条响 应时程；将每条响应时程的最大值提取出来，利用等价极值原理算出系统的可靠度。利用Fourier谱，设其相位角服从W，2 π ]的均勻分布，对于不同的随机变量，对 其进行Fourier逆变换，以生成一组随机风速时程。本发明的风力发电高塔系统的可靠度分析方法，确定随机风场的随机参数，建立 系统的有限元模型；能将生成的η条随机风速时程输入有限元软件中，加载到系统模型上 进行动力时程分析；选取每一条响应时程的最大值，构成一个随机虚拟函数；将构成的随 机虚拟函数代入概率密度演化方程中，求出系统的可靠度。由于采用了上述方案，本发明具有以下特点综合考虑了各类荷载的影响，可以得出外部复杂荷载条件下风机的响应。基于概 率密度演化理论，风、海浪和地震等外部荷载作用的随机性得到充分的考虑，结构整体及局 部响应的概率分布及演化也可以清晰直观的表达。在此基础上，对于整体结构的设计能更 精细，在保证结构安全稳定的前提下，成本将会大大降低。
图1是所生成的某一条风速时程曲线示意图。图2是在ANSYS中建立的有限元模型示意图。图3是稳定性指标极值累积概率分布示意图。图4是稳定性指标极值概率密度函数示意图。图5是塔顶位移极值累积概率分布示意图。图6是塔顶位移极值概率密度函数示意图。
具体实施例方式为了对本发明作进一步的描述，下述实施例中所涉及到的风力发电高塔的结构材 料参数是
权利要求
1.一种风力发电高塔系统的可靠度分析方法，其特征在于其包括以下步骤 选取风力发电高塔的外部荷载随机参数；选取或生成与随机参数对应的外部荷载； 在ANSYS系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型； 将外部荷载输入ANSYS模型中进行动力响应分析； 利用等价极值原理算出系统的可靠度。
2.如权利要求1所述的风力发电高塔系统的可靠度分析方法，其特征在于具体包括选取风力发电高塔的外部荷载随机参数；选取或生成η条风速时程作为随机参数对应的外部荷载，并且确定每条时程的概率； 在ANSYS系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型，具体是包括桨叶、转子、机舱和 塔体在内的系统“一体化”模型；将选取的风速时程输入ANSYS模型中进行动力响应分析，计算得到对应的η条响应时程；将每条响应时程的最大值提取出来，利用等价极值原理算出系统的可靠度。
3.如权利要求2所述的风力发电高塔系统的可靠度分析方法，其特征在于利用 Fourier谱，设其相位角服从W，2 π ]的均勻分布，对于不同的随机变量，对其进行Fourier 逆变换，以生成一组随机风速时程。
全文摘要
一种风力发电高塔系统的可靠度分析方法，其包括以下步骤选取风力发电高塔的外部荷载随机参数；选取或生成与随机参数对应的外部荷载；在ANSYS系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型；将外部荷载输入ANSYS模型中进行动力响应分析；利用等价极值原理算出系统的可靠度。本发明的方法对于整体结构的设计能更精细，在保证结构安全稳定的前提下，成本将会大大降低。
文档编号G06F17/50GK102004829SQ20101054637
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者周勇, 徐亚洲, 李 杰, 贺广零, 陈建兵, 黄凯 申请人:同济大学