本发明涉及疲劳损伤确定领域，具体涉及疲劳损伤确定方法以及疲劳损伤确定装置。
背景技术：
塔架是风电机组的主支撑部件，其顶端支撑着轮毂总成、发电机、底座等关键部件。塔架的重量约占风电机组总重量的50％，其成本约占风电机组制造成本的15％～20％。在其生命周期过程中，需要承受机舱的重量、风力的作用以及风电系统运行引起的各种载荷，而不会发生强度破坏、疲劳破坏和倾覆，因而需要考虑塔架组成部件的静强度、疲劳损伤和屈曲。
由于塔架主体的不同截面上分布着大量的焊缝，因此在风力发电机领域中，塔架主体的焊缝疲劳损伤的计算是其中尤为重要的内容。
技术实现要素：
在实际的工程问题中，经常由于运输等原因导致焊缝位置发生改变，此时原始的等效载荷无法使用，继而无法快速地对焊缝进行疲劳强度评估。
现有技术中，如果塔架焊缝位置变化，则需要塔架组重新计算一轮载荷(周期长，最短几天，最长几周)，待载荷计算完成后强度负责人员才能利用该载荷计算焊缝(包含新焊缝)位置处的疲劳，因此总的周期长，耗时多。
本发明是鉴于上述情况而完成的，为了快速地对焊缝进行疲劳强度评估，本发明提出了一种风力发电机组的塔架焊缝疲劳损伤确定方法，所述方法包括：获取焊缝的初始等效疲劳载荷，并根据所述焊缝所处的初始截面高度和所述初始等效疲劳载荷求出拟合函数；基于所述拟合参数和检测位置的截面高度，计算所述检测位置的等效疲劳载荷，并基于所述检测位置的所述等效疲劳载荷、塔架截面的抗弯模量以及SN曲线斜率的倒数，计算所述检测位置的累积疲劳损伤值。
在一些实施例中，所述拟合函数是二次函数。
为了更精确地确定焊缝的疲劳损伤程度，所述疲劳损伤程度还包括：以拐点为基准，将SN曲线分为左段和右段，获取SN曲线的左段处的焊缝的疲劳载荷，并将SN曲线斜率的倒数设定为第一预定值，由此求出SN曲线的左段拟合函数，获取SN曲线的右段处的焊缝的疲劳载荷，并将SN曲线斜率的倒数设定为第二预定值，由此求出SN曲线的右段拟合函数。
在一些实施例中，所述确定方法还包括：根据检测位置的截面高度和左段拟合函数，计算所述检测位置的左等效疲劳载荷；根据检测位置的截面高度和右段拟合函数，计算所述检测位置的右等效疲劳载荷。
为了快速地对焊缝进行疲劳强度评估，本发明提出了一种风力发电机组的塔架焊缝疲劳损伤的确定装置，所述装置包括：拟合单元，获取焊缝的初始等效疲劳载荷，并根据所述焊缝所处的初始截面高度和所述初始等效疲劳载荷来求出拟合函数；以及运算单元，基于所述拟合参数和检测位置的截面高度，计算所述检测位置的等效疲劳载荷，并基于所述检测位置的所述等效疲劳载荷、塔架截面的抗弯模量以及SN曲线斜率的倒数，计算所述检测位置的累积疲劳损伤值。
在一些实施例中，所述拟合单元包括：分类单元，以拐点为基准，将SN曲线分为左段和右段，获取SN曲线的左段处的焊缝的疲劳载荷，并将SN曲线斜率的倒数设定为第一预定值，由此求出SN曲线的左段拟合参数，获取SN曲线的右段处的焊缝的疲劳载荷，并将SN曲线斜率的倒数设定为第二预定值，由此求出SN曲线的右段拟合参数。
在一些实施例中，所述运算单元还包括：子运算单元，根据检测位置的截面高度和左段拟合参数，计算所述检测位置的左等效疲劳载荷，根据检测位置的截面高度和右段拟合参数，计算所述检测位置的右等效疲劳载荷。
在一些实施例中，所述运算单元还包括：累积运算单元，根据所述左等效疲劳载荷，计算所述检测位置的左累积疲劳损伤值，并根据所述右等效疲劳载荷，计算所述检测位置的右累积疲劳损伤值，相加左累积疲劳损伤值和右累积疲劳损伤值，得到累积疲劳损伤值。
在本发明中，利用等效疲劳载荷从塔顶到塔底呈二次函数变化的特征，基于统计学理论得到相应的函数关系式。根据该函数关系可以得到塔架主体截面任意位置的等效疲劳载荷，可以有效解决塔架主体焊缝位置变化后疲劳强度是否满足的问题。由此，可以实现快速地确定塔架任意截面位置的疲劳损伤程度。
附图说明
通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1是示出塔架焊缝疲劳强度SN曲线图；
图2是示出本发明的一个实施例的塔架主体焊缝的疲劳损伤确定方法的流程图；
图3是示出等效疲劳载荷的拟合函数的曲线图；
图4是示出本发明的另一个实施例的塔架主体焊缝的疲劳损伤确定方法的流程图；
图5是示出本发明的其他实施例的塔架主体焊缝的疲劳损伤确定方法的流程图；
图6是本发明的一个实施例的塔架主体焊缝的疲劳损伤确定装置的示意图；
图7是本发明的另一个实施例的塔架主体焊缝的疲劳损伤确定装置的示意图；
图8是本发明的其他实施例的塔架主体焊缝的疲劳损伤确定装置的示意图。
具体实施例
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本发明更全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，不一定是按比例描绘图中的组件。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的主要技术创意。
在材料领域中，材料或构件受到多次重复变化的载荷作用后，即使最大的重复交变应力低于材料的屈服极限，经过一段时间的工作后，最后也会导致破坏，材料或结构的这种破坏就叫做疲劳破坏。材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝处。这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。
当零件所受应力高于疲劳极限时，每一次载荷循环都对零件造成一定量的损伤，并且这种损伤是可以积累的；当损伤积累到临界值时，零件将发生疲劳破坏。在材料领域中，通常采用SN曲线(stress range-number of stress cycles for fatigue，疲劳范围与应力循环次数之间关系的曲线)来计算材料的疲劳破坏程度。
图1是示出塔架焊缝疲劳强度SN曲线图。SN曲线通常由两条直线构成，直线的交点是SN曲线的拐点。
不同的零件，因形状不同，加工精度和热处理工艺也不尽相同，其SN曲线也不同。在实际操作中，经常由于运输等原因导致焊缝位置发生改变，此时原始的等效载荷无法使用，需要重新计算等效载荷，重新得出SN曲线，继而无法快速地对焊缝进行疲劳强度评估。
发明人经过大量实验和研究发现，从塔顶到塔底，等效疲劳载荷呈二次函数变化的关系。在此基础上，利用实验数据和统计学理论，得到了两者的关系。发明人基于上述情况而完成了本发明的疲劳损伤确定方法以及疲劳损伤确定装置。
下面结合图2至图4，对疲劳损伤确定方法进行详细的说明。图2是示出一个实施例的塔架主体焊缝的疲劳损伤确定方法的流程图。图3是示出等效疲劳载荷的拟合函数的曲线图。图4是示出本发明的另一个实施例的塔架主体焊缝的疲劳损伤确定方法的流程图。
如图2所示，在步骤S1中，获取焊缝的初始等效疲劳载荷，并根据焊缝所处的初始截面高度和上述初始等效疲劳载荷求出拟合函数的拟合参数。
这里，所述截面高度是所述塔架的塔底到焊缝所处的截面的垂直距离。由于本实施例涉及的是风力发电机组塔架主体，风力发电机组的塔筒基本上都是圆筒状结构，因此采用了截面高度。
下面，以3兆瓦风力发电机组塔筒为例，对等效疲劳载荷的计算过程进行说明。
首先，获取焊缝的疲劳载荷，根据疲劳载荷求出焊缝的等效疲劳载荷。
表1表示获取到的截面高度为850米处的焊缝的应力循环次数和疲劳载荷的数据。
表1
通过下述式(1)求出等效疲劳载荷。其中，采用的斜率的倒数为4。
式中，ΔM是等效疲劳载荷，M是疲劳载荷，N是应力循环次数。
将表1中的疲劳载荷和应力循环次数依次代入到式(1)中，最终求出的等效疲劳载荷是25000kNm。即，3兆瓦风力发电机组塔筒的截面高度850米处的等效疲劳载荷是25000kNm。
通过上述的计算方法，针对同一种风力发电机组塔筒的，可以求出一组不同焊缝所处的截面高度和对应的等效疲劳载荷。以截面高度作为横坐标，以等效疲劳载荷为纵坐标，如图3所示，可以得出曲线。接着，对曲线进行拟合，由此可以求出拟合函数。这样的方法求出的拟合函数为通过式(2)来表示的二次函数。
ΔM＝1.66h2-390.7h+28896……(2)
通过上述拟合函数，可以得出拟合函数的三个参数1.66、-390.7、28896。
通过上面所述的方法，对于不同种类的风力发电机组的塔筒，可以求出拟合后的二次函数。
再例如，对于2兆瓦风力发电机组塔筒，可以求出由式(3)表示的拟合函数。
ΔM＝0.79h2-205h+13032……(3)
通过上述拟合函数，可以得出拟合函数的三个参数0.79、-205、13032。
在步骤S2中，基于拟合参数和检测位置的截面高度，计算检测位置的等效疲劳载荷，并基于所述检测位置的所述等效疲劳载荷、塔架截面的抗弯模量以及SN曲线斜率的倒数，计算所述检测位置的累积疲劳损伤值。
例如，对于3兆瓦风力发电机组塔筒，通过式(3)来求出任意检测位置的等效疲劳载荷。根据上述函数关系可以得到塔架主体截面任意位置的等效疲劳载荷(包含新焊缝位置)，因此省去了载荷组重新计算载荷的时间。
塔架截面的抗弯模量可以通过如下式(4)表示。
W＝π*[d4-(d-2t)4]/(32*d)……(4)
式中，W为塔架截面的抗弯模量，d为塔筒的外径，t为筒壁厚度。
在获得等效疲劳载荷和塔架截面的抗弯模量之后，可以通过如下式(5)获得应力变化范围。
Δσ＝ΔM/W……(5)
式中，Δσ表示应力变化范围，ΔM表示等效疲劳载荷，W表示塔架截面的抗弯模量。
然后，根据等效应力幅和SN曲线斜率的倒数，通过如下式(6)计算累积疲劳损伤值。
式中，D表示累积疲劳损伤值；Ni表示马尔科夫矩阵中第i个应力区间的应力循环次数，Δσi表示马尔科夫矩阵中第i个应力区间的应力变化范围，ΔσD表示部件材料SN曲线拐点对应的应力变化范围，ND表示SN曲线拐点对应的应力循环次数，γM表示材料分项系数，Scf表示应力集中系数，nF表示应力区间数，m表示SN曲线斜率的倒数，其中，如果没有应力集中效应，Scf＝1.0。
在本实施例中，Δσi的单位为Pa或MPa，ΔσD的单位为Pa或MPa。另外，采用的塔筒焊缝材料的应力循环次数为5*106，γM取1.265。
在本实施例中，针对不同种类的塔筒，可以采用不同的SN曲线斜率的倒数，也可以采用预定值。
如图4所示，在另一个实施例中，还可以包括根据上述步骤中计算出的累积疲劳损伤值，确定塔架主体的检测位置的疲劳损伤程度的步骤(步骤S3)。
例如，假设塔筒存在100个焊缝，可以得到100个焊缝累计疲劳损伤值。这时，可以在这个100个焊缝累积疲劳损伤里选择最大值，作为塔架主体的累积疲劳损伤值。由此，确定塔架主体的检测位置的疲劳损伤程度。
在上述实施例中，利用等效疲劳载荷从塔顶到塔底呈二次函数变化的特征，基于统计学理论得到相应的函数关系式。根据该函数关系可以得到塔架主体截面任意位置的等效疲劳载荷(包含新焊缝位置)，因此省去了载荷组重新计算载荷的时间。
而且，在此基础上，在紧急计算任务的情况下，对于不同的SN曲线斜率的倒数，选用预定值4就可以计算新焊缝的疲劳。由此，可以实现快速地确定塔架任意截面位置的疲劳损伤程度。
在另一个实施例中，利用SN曲线的拐点，提出了一种更精确地确定塔架任意截面位置的疲劳损伤程度的疲劳损伤确定方法。基于SN曲线的特性，只要材料确定，塔筒的SN曲线就确定，因此可以确定SN曲线中的两个直线的交点，即拐点。
这里，以拐点为界限，将上述实施例中的等效疲劳载荷分为左等效疲劳载荷和右等效疲劳载荷来计算累积疲劳损伤值，由此判断塔架主体的确定位置的截面高度处的损伤程度。
下面结合图5，对上述疲劳损伤确定方法进行详细的说明。图5是示出其他实施例的塔架主体焊缝的疲劳损伤确定方法的流程图。
如图5所示，首先，以拐点为基准，将SN曲线分为左段和右段，分别求出SN曲线的左段和右段的拟合参数(步骤S11)。
以拐点为基准，将SN曲线分为左段和右段。获取SN曲线的左段处的焊缝的疲劳载荷，并将SN曲线斜率的倒数设定为第一预定值，由此求出SN曲线的左段拟合参数。获取SN曲线的右段处的焊缝的疲劳载荷，并将SN曲线斜率的倒数设定为第二预定值，由此求出SN曲线的右段拟合参数。这里，第一预定值是3，第二预定值是5。
由于求出左段拟合参数和右段拟合参数的方法与上述叙述中的求出拟合参数的方法相同，不再赘述。
在步骤S21中，计算左等效疲劳载荷和右等效疲劳载荷。
根据检测位置的截面高度和左段拟合参数，计算检测位置的左等效疲劳载荷。根据检测位置的截面高度和右段拟合参数，计算检测位置的右等效疲劳载荷。
在步骤S22中，根据左等效疲劳载荷和右等效疲劳载荷，求出累积疲劳损伤值。
根据上述左等效疲劳载荷，计算所述检测位置的左累积疲劳损伤值。根据上述右等效疲劳载荷，计算检测位置的右累积疲劳损伤值。然后，相加左累积疲劳损伤值和右累积疲劳损伤值，由此得到累积疲劳损伤值。
在上述实施例中，利用等效疲劳载荷从塔顶到塔底呈二次函数变化的特征，基于统计学理论得到相应的函数关系式。根据该函数关系可以得到塔架主体截面任意位置的等效疲劳载荷(当然包含新焊缝位置)，因此省去了载荷组重新计算载荷的时间。而且，对于SN曲线斜率的倒数，精确地利用预定值3和预定值5，进行焊缝的疲劳计算(包含新焊缝位置)。由此，可以快速并且精确地计算出塔架任意截面位置处的疲劳损伤。
在本发明中，除了上述疲劳损伤确定方法之外，还提出一种风力发电机组的塔架焊缝疲劳损伤确定装置。
下面结合图6和图7，对疲劳损伤确定装置进行说明。图6是塔架主体焊缝的疲劳损伤确定装置的示意图。图7是本发明的另一个实施例的塔架主体焊缝的疲劳损伤确定装置的示意图。
如图6所示，疲劳损伤确定装置1具备拟合单元11、运算单元12以及确定单元13。
拟合单元11获取焊缝的初始等效疲劳载荷，并根据焊缝所处的初始截面高度和上述初始等效疲劳载荷求出拟合函数的拟合参数。
这里，截面高度是所述塔架的塔底到焊缝所处的截面的垂直距离。
对于不同种类的风力发电机组的塔筒，获取焊缝处的疲劳载荷，并再结合截面高度，可以求出拟合后的二次函数。并且，根据该二次函数，可以得出该二次函数的三个拟合后的系数。由于求出拟合后的系数的方法与上面所述的方法相同，不再赘述。
运算单元12基于上述拟合参数和检测位置的截面高度，计算检测位置的等效疲劳载荷，并基于所述检测位置的所述等效疲劳载荷、塔架截面的抗弯模量以及SN曲线斜率的倒数，计算所述检测位置的累积疲劳损伤值。
在本实施例中，针对不同种类的塔筒，可以采用不同的SN曲线斜率的倒数，也可以采用预定值。这里，采用的预定值为4，由此不仅可以适用不同种类的塔筒，而且可以得到较精确的焊缝的疲劳损伤。
如图7所示，疲劳损伤确定装置1还可以具备确定单元13。确定单元13根据累积疲劳损伤值，确定塔架主体的检测位置的疲劳损伤程度。
例如，假设塔筒存在100个焊缝，可以得到100个焊缝累计疲劳损伤值。这时，可以在这个100个焊缝累积疲劳损伤里选择最大值，作为塔架主体的累积疲劳损伤值。由此，确定塔架主体的检测位置的疲劳损伤程度。
在上述实施例中，利用等效疲劳载荷从塔顶到塔底呈二次函数变化的特征，基于统计学理论得到相应的函数关系式。根据该函数关系可以得到塔架主体截面任意位置的等效疲劳载荷(包含新焊缝位置)，因此省去了载荷组重新计算载荷的时间。
而且，在此基础上，在紧急计算任务的情况下，对于不同的SN曲线斜率的倒数，选用预定值4(该数字是经验数字)就可以计算新焊缝的疲劳。由此，可以实现快速地确定塔架任意截面位置的疲劳损伤程度。
在另一个实施例中，利用SN曲线的拐点，提出了一种更精确地确定塔架任意截面位置的疲劳损伤程度的的疲劳损伤确定方法。基于SN曲线的特性，只要材料确定，塔筒的SN曲线就确定，因此可以确定SN曲线中的两个直线的交点，即拐点。
这里，以拐点为界限，将上述实施例中的等效疲劳载荷分为左等效疲劳载荷和右等效疲劳载荷来计算累积疲劳损伤值，由此判断塔架主体的确定位置的截面高度处的损伤程度。
下面结合图8，对上述疲劳损伤确定装置进行说明。图8是其他实施例的塔架主体焊缝的疲劳损伤确定装置的示意图。
如图8所示，拟合单元11具备分类单元111。
分类单元111以拐点为基准，将SN曲线分为左段和右段。获取SN曲线的左段处的焊缝的疲劳载荷，并将SN曲线斜率的倒数设定为第一预定值，由此求出SN曲线的左段拟合参数。获取SN曲线的右段处的焊缝的疲劳载荷，并将SN曲线斜率的倒数设定为第二预定值，由此求出SN曲线的右段拟合参数。
在本实施例中，根据现有规范，将第一预定值设定为3，将第二预定值设定为5。
运算单元12具备子运算单元121。
子运算单元121根据检测位置的截面高度和左段拟合参数，计算所述检测位置的左等效疲劳载荷。并且，根据检测位置的截面高度和右段拟合参数，计算所述检测位置的右等效疲劳载荷。
运算单元12还具备累积运算单元122。
累积运算单元122根据所述左等效疲劳载荷，计算所述检测位置的左累积疲劳损伤值，并根据所述右等效疲劳载荷，计算所述检测位置的右累积疲劳损伤值。然后，相加左累积疲劳损伤值和右累积疲劳损伤值，得到累积疲劳损伤值。
在上述实施例中，利用等效疲劳载荷从塔顶到塔底呈二次函数变化的特征，基于统计学理论得到相应的函数关系式。根据该函数关系可以得到塔架主体截面任意位置的等效疲劳载荷(当然包含新焊缝位置)，因此省去了载荷组重新计算载荷的时间。而且，对于SN曲线斜率的倒数，精确地利用预定值3和预定值5，进行焊缝的疲劳计算(包含新焊缝位置)。由此，可以快速并且精确地计算出塔架任意截面位置处的疲劳损伤。
在上述说明中，关于SN曲线斜率的倒数，分别设定了4，3或5等预定值，但并不限于此。可以根据风力发电机组塔架的种类和材料，适当地选定其他的预定值或者变量。
需要说明的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
应当理解的是，本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。