一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明是有关于一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法及系统，该方法包括：利用SACS软件建立海上风机基础及塔筒模型；输出基础结构数据文件precede.$PJ；运行BLADED软件读取基础结构数据文件precede.$PJ，并进行疲劳工况载荷计算；运行SACS软件读取步骤C计算出来的各个工况下的疲劳载荷以及对应的波谱参数，计算并累积各工况下的疲劳损伤，计算出疲劳寿命。该系统包括建模模块、模型输出及存储模块、疲劳工况载荷计算模块以及疲劳寿命计算模块。本发明可实现对海上风机基础进行风波流全时程耦合下的疲劳计算、频域与时域耦合分析、以及疲劳载荷工况结合波谱曲线的疲劳耦合分析。
【专利说明】一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种海上风机的疲劳分析方法及系统，特别是涉及一种海上风机基础在风波流载荷下的全时程耦合疲劳分析方法及系统。
【背景技术】
[0002]海上风力资源丰富。通常离岸IOkm的海上风速要比沿岸陆上高出25%，深海区域的风力资源比近海区域更为丰富。据统计，美国海域在水深60?900m处的海上风力资源达到1533GW，而近海O?30m的水域只有430GW。据国家发展和改革委员会能源研究所等机构的研究，中国近海10m、20m和30m水深以内的海域风能资源分别约为I X 108kW、3 X 108kff和4.9X108kW。按比例计算，深海60?900m处的海上风能资源将约有17.4X IO8KW,海上风力发电发展前景广阔。
[0003]海上风机的基础有重力式、桩式及浮动式等几种基础型式。钢桩基础是目前应用最多的一种基础结构型式，适用于潮间带以及100米以下水深海域，有单桩、多桩、导管架之分。海上风机基础与陆上基础不同，除了承受风载荷、上部风机运行载荷以外，还承受波浪载荷、海流载荷等，如何实现风机基础在多种工况下的分析尤其是疲劳分析是我们关注的重点。
[0004]传统的海洋结构疲劳分析方法是采用谱疲劳分析方法，通常认为对于海洋平台结构，波浪是造成结构疲劳的主要原因，通过波浪的分布概率散点图来计算结构的疲劳寿命，称为谱疲劳分析方法。而对于陆上风机结构部件的疲劳分析，一般采用风机的全时程载荷曲线来进行结构的疲劳计算。而对于海上风机基础来说，同时要承受波谱+时程力的耦合作用，这就需要工程师解决如何进行风波流全时程耦合下的疲劳计算，如何进行频域+时域的耦合分析，如何把风机的N个疲劳载荷工况结合波谱曲线进行疲劳耦合分析等技术问题，而目前国内外尚无解决上述技术问题的有效手段和方案。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法及系统，使其可实现对海上风机基础进行风波流全时程耦合下的疲劳计算、频域与时域耦合分析、以及疲劳载荷工况结合波谱曲线的疲劳耦合分析。
[0006]为解决上述技术问题，本发明一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，包括以下步骤:A.利用SACS软件建立海上风机基础及塔筒模型；B.输出基础结构数据文件precede.$PJ ；C.运行BLADED软件读取基础结构数据文件precede.$PJ，并进行疲劳工况载荷计算；D.运行SACS软件读取步骤C计算出来的各个工况下的疲劳载荷以及对应的波谱参数，计算并累积各工况下的疲劳损伤，计算出疲劳寿命。
[0007]作为本发明的一种改进，所述的步骤A还包括输入模型参数、土壤参数曲线、波流参数以及轮毂处风机载荷的极限力。
[0008]所述的步骤A之后还包括利用SACS软件计算模型的静强度承载力，并在其不满足设计要求时调整模型参数的步骤，在模型的静强度承载力满足设计要求后才进入步骤B。
[0009]所述的步骤C中BLADED软件是根据IEC61400_l_ed3设计规范进行疲劳工况载荷计算。
[0010]所述的步骤C还包括:将BLADED软件计算出的疲劳时程力存储在对应工况文件夹下的thload(x).dat文件中，将风的时程力曲线存储在对应工况文件夹下的thwind(x).dat文件中，将波浪参数存储到对应工况文件夹下的wvrinp (x).dat文件中，分别供SACS软件在步骤D中读取。
[0011]所述的步骤D具体包括以下步骤:
[0012]Dl.根据模型、海况条件和土壤条件进行桩基线性化，生成桩基的超单元文件；
[0013]D2.进行桩基结构动力分析，读入步骤Dl生成的超单元文件，生成结构的刚度矩阵和质量矩阵；
[0014]D3.在第一个疲劳工况荷载条件下，读入步骤C生成的对应工况的文件以及步骤D2生成的刚度矩阵和质量矩阵，结合步骤Dl的超单元文件生成该工况下的节点应力幅，再与该工况的疲劳设置文件共同进行疲劳计算，生成第一个工况下的疲劳寿命文件和疲劳累积损伤文件；
[0015]D4.在之后的疲劳工况荷载计算中，读入步骤C生成的对应工况文件以及步骤D2生成的刚度矩阵和质量矩阵，结合步骤Dl的超单元文件生成该工况下的节点应力幅，再与该工况的疲劳设置文件结合上一工况下的疲劳累积损伤文件共同进行疲劳计算，生成该工况下的疲劳寿命文件和疲劳累积损伤文件；
[0016]D5.重复步骤D4直至完成所有工况的疲劳计算，得到海上风机基础的疲劳寿命。
[0017]所述的步骤Dl还考虑一年一遇的环境载荷数据。
[0018]所述的步骤Dl还考虑海生物对桩基结构的影响。
[0019]所述的步骤D是根据S-N曲线以及雨流计数法进行疲劳寿命计算。
[0020]所述的土壤条件是基于土壤参数轴向载荷一位移T-Z曲线、桩尖载荷一位移Q-Z曲线以及侧向承载力一位移P-Y曲线，根据勘查得到的海底土壤物理及力学性能，依据规范APIRP2A计算得出。
[0021]所述的分析方法中选取S-N曲线时考虑了腐蚀、阴极保护系统对S-N曲线的影响。
[0022]此外，本发明还提供了一种应用上述方法的海上风机基础全时程耦合疲劳分析系统，包括:建模模块，用于利用SACS软件建立海上风机基础及塔筒模型；模型输出及存储模块，用于将建模模块建立的模型的基础结构数据以precede.$PJ文件的形式输出并存储；疲劳工况载荷计算模块，用于通过BLADED软件读取模型输出及存储模块输出的precede.$PJ文件，并进行疲劳工况载荷计算；疲劳寿命计算模块，用于通过SACS软件读取疲劳工况载荷计算模块计算出来的各个工况下的疲劳载荷以及对应的波谱参数，计算并累积各工况下的疲劳损伤，并计算出疲劳寿命。
[0023]采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点:
[0024]1、分析计算中考虑了海上风机疲劳分析中实际载荷条件，综合考虑了波浪和风机时程力共同作用下结构的疲劳寿命，真实反映出海上风机运行中的疲劳载荷，具有合理性、准确性的优点；
[0025]2、实现了波谱+时程力耦合分析的过程，兼容了常规海洋平台疲劳分析和陆上风机结构疲劳分析，解决了很现实的分析课题；
[0026]3、按照海上风机基础设计规范、海上固定平台设计规范及IEC61400-l_ed3设计规范，借助于海洋工程设计分析软件SACS和风机载荷分析软件BLAEDE前处理程序和SACS疲劳分析后处理程序联合进行疲劳计算分析，使得该分析方法简便易行、效率高、节省人力物力成本，攻克了海上风机基础全时程耦合分析的难题；
[0027]4、基于SACS疲劳分析全面考虑了海上风机实际的疲劳载荷，包括波流载荷和风机塔顶各个疲劳工况下的时程力曲线，通过程序内置的AP1、DNV等规范建议的S-N曲线以及雨流计数法进行结构管节点疲劳寿命计算，计算效率高、分析精确，结果可靠，可有效适用于海上风机基础风波流条件下的全时程耦合疲劳分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0029]图1是利用本发明方法及系统进行海上风机基础全时程耦合疲劳寿命分析的结果图。
【具体实施方式】
[0030]本发明海上风机基础全时程耦合疲劳分析系统主要包括建模模块、模型输出及存储模块、疲劳工况载荷计算模块和疲劳寿命计算模块，其对应的分析方法包括以下步骤。
[0031]第一步，用SACS软件建立疲劳分析的海上风机基础结构模型，并根据轮毂高度模拟建立塔筒模型，从而传递轮毂处的时程载荷，计算海上风机基础结构的节点疲劳。例如包括4根钢桩、支撑结构以及塔筒，并输入所述钢桩的间距、长度、直径及壁厚，支撑结构的型式及支撑钢管的长度、直径及壁厚，钢桩与支撑结构之间的连接型式及具体尺寸，塔筒的直径、壁厚、长度以及材料常数，以及土壤参数、波流参数和轮毂处风机载荷的极限力。
[0032]进一步来说，本发明所采用的土壤参数是由竖向载荷一位移T-Z曲线、桩尖载荷一位移Q-Z曲线以及侧向承载力一位移P-Y曲线，根据勘查得到的海底土壤物理及力学性能，依据规范APIRP2A计算得出的。
[0033]之后，还可通过SACS初步计算结构的静强度承载力，如果结构承载力不满足要求，调整结构尺寸达到设计要求。
[0034]第二步，当模型的静强度达到设计要求后，直接通过SACS输出BLADED可读取的基础结构数据文件precede.$PJ。
[0035]第三步，运行分析程序BLADED直接读取基础结构数据文件precede.$PJ，然后根据IEC61400-l_ed3设计规范进行疲劳工况载荷计算(N个)。
[0036]较佳的，本发明把计算得到的疲劳时程力分别存储在相应的工况文件夹X (X是1-N，下同)下的文件thload(x).dat中，风的时程力曲线存储在相应的工况文件夹X下的文件thwind (X).dat中，然后把波浪参数存储到相应的工况文件夹X下的文件wvrinp (x).dat 中 ο
[0037]第四步，运行SACS软件读取步骤C计算出来的各个工况下的疲劳载荷以及对应的波谱参数，计算并累积各工况下的疲劳损伤，从而得到风机基础的疲劳寿命。[0038]具体来说，该技术过程包括:
[0039]首先，根据基础结构模型、海况条件和土壤条件进行桩基线性化，生成桩基的超单元文件dynsef.sup。其中,基础结构模型和土壤条件参数即为第一步输入的参数,此步的海况条件相对于第一步输入的波流参数会随不同的疲劳工况有所变化。进一步的，除上述参数外，该步还考虑了一年一遇的环境载荷数据和海生物对结构疲劳的影响，其中，海生物的存在增加了结构杆件的直径，增加了结构的重量，这些都会影响结构的刚度、模态等，并最终影响结构的疲劳，因此，可由技术人员根据情况调整参数，把海生物厚度、海生物重量等增加到基础结构上。
[0040]其次:进行桩基结构动力分析,读入上步结果文件dynsef.sup生成结构的刚度矩阵 dynmod.dyn 和质量矩阵 dynmas.dyn ；
[0041]再次:疲劳工况荷载I条件下，读入疲劳时程力、风、波对应的文件thload(l).dat、thwind (I).dat、wvrinp (I).dat 和结构的刚度矩阵 dynmod.dyn 和质量矩阵 dynmas.dyn文件然后生成wvroc1.dat文件,该文件存储内容为把结构所附加的时程力、波谱力等转化为SACSL0AD,然后进一步的通过wvroc1.dat和dynsef.sup生成静力公用输出文件saccsfd).dat，该文件存储内容为结构在该工况I下的节点应力最大值和最小值，也即节点应力幅。然后通过saccsf (I), dat和疲劳设置文件ftginp(l).dat共同进行该工况I下的疲劳计算，生成该工况I下的疲劳寿命文件ftglst(l).dat和疲劳累积损伤文件ftgdmo(I).dat ；
[0042]再次:疲劳工况荷载2条件下，读入疲劳时程力、风、波对应的文件thload(2).dat、thwind(2).dat、wvrinp (2).dat 和结构的刚度矩阵 dynmod.dyn 和质量矩阵 dynmas.dyn文件然后生成wvroc1.dat文件,该文件存储内容为把结构所附加的时程力、波谱力等转化为SACS LOAD,然后进一步的通过wvroc1.dat和dynsef.sup生成静力公用输出文件saccsf (2).dat，该文件存储内容为结构在该工况2下的节点应力最大值和最小值，也即节点应力幅。然后读取saccsf (2).dat和疲劳设置文件ftginp (2).dat以工况I下输出的疲劳累积损伤文件ftgdmo (I), dat共同进行该工况2下的疲劳计算，生成该工况2下的疲劳寿命文件ftglst (2).dat和疲劳累积损伤文件ftgdmo (2).dat ；
[0043]再次:疲劳工况X条件下，重复上面的步骤，疲劳计算中读取X-1工况下的疲劳累积损伤输出文件ftgdmo (X-1).dat用于进行疲劳寿命计算，然后输出疲劳累积损伤文件ftgdmo (X).dat用于X+1工况下的疲劳计算；
[0044]最后:疲劳工况N条件下，重复上面的步骤，读取N-1工况下的疲劳累积损伤输出文件ftgdmo (N-1).dat用于进行疲劳寿命计算，生成图1所示的疲劳结果文件ftglst (N).dat即为海上风机基础的疲劳寿命。
[0045]进一步来说，本发明可以选取内置的AP1、DNV等规范建议的S-N曲线，也可以根据经验自定义S-N曲线，以及雨流计数法进行结构管节点疲劳寿命计算，并在选取S-N曲线时考虑了腐蚀、阴极保护系统对S-N曲线的影响。
[0046]如上所述，本发明方法按照海上风机基础设计规范、海上固定平台设计规范及IEC61400-l_ed3规范设计，基于海洋工程设计分析软件SACS和风机载荷分析软件BLADED联合进行疲劳分析计算。其中，软件SACS用来建立海上风机基础结构模型及塔筒模型，基础结构模型包括钢桩及支撑结构两部分；软件BLADED用于计算风机结构所受疲劳载荷，基础结构疲劳分析时考虑塔顶轮毂处各个疲劳载荷工况下的时程力曲线以及波浪载荷，并基于疲劳累积损伤法则通过每一个工况下的累积损伤叠加计算结构的总损伤值，进而计算结构的疲劳寿命。
[0047]本发明针对每个工况进行三步运算，后一个工况还需要读取前一个工况下的计算结果，实现了风波流、时程的耦合分析，通过编写处理文件以及集成化计算实现了快速计算，提高了效率，解决了谱疲劳和时程疲劳的耦合计算问题，完全不同于现有分析方法仅能进行简单谱疲劳计算或者时程疲劳计算或者等效载荷计算。综合来看，本发明找到了更适于进行海上风机基础疲劳分析的方法，能够真实的计算在风波流及风机时程力作用下的疲劳。
[0048]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，其特征在于包括以下步骤: A.利用SACS软件建立海上风机基础及塔筒模型； B.输出基础结构数据文件precede.$PJ; C.运行BLADED软件读取基础结构数据文件precede.$PJ，并进行疲劳工况载荷计算； D.运行SACS软件读取步骤C计算出来的各个工况下的疲劳载荷以及对应的波谱参数，计算并累积各工况下的疲劳损伤，计算出疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，其特征在于所述的步骤A还包括输入模型参数、土壤参数曲线、波流参数以及轮毂处风机载荷的极限力。
3.根据权利要求1所述的一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，其特征在于所述的步骤A之后还包括利用SACS软件计算模型的静强度承载力，并在其不满足设计要求时调整模型参数的步骤，在模型的静强度承载力满足设计要求后才进入步骤B。
4.根据权利要求1所述的一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，其特征在于所述的步骤C中BLADED软件是根据IEC61400-l_ed3设计规范进行疲劳工况载荷计算。
5.根据权利要求1所述的一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，其特征在于所述的步骤C还包括:将BLADED软件计算出的疲劳时程力存储在对应工况文件夹下的thload(x).dat文件中，将风的时程力曲线存储在对应工况文件夹下的thwind(x).dat文件中，将波浪参数存储到对应工况文件夹下的wvrinp (x).dat文件中，分别供SACS软件在步骤D中读取。
6.根据权利要求1所述的一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，其特征在于所述的步骤D具体包括以下步骤: Dl.根据模型、海况条件和土壤条件进行桩基线性化，生成桩基的超单元文件； D2.进行桩基结构动力分析，读入步骤Dl生成的超单元文件，生成结构的刚度矩阵和质量矩阵； D3.在第一个疲劳工况荷载条件下，读入步骤C生成的对应工况的文件以及步骤D2生成的刚度矩阵和质量矩阵，结合步骤Dl的超单元文件生成该工况下的节点应力幅，再与该工况的疲劳设置文件共同进行疲劳计算，生成第一个工况下的疲劳寿命文件和疲劳累积损伤文件； D4.在之后的疲劳工况荷载计算中，读入步骤C生成的对应工况文件以及步骤D2生成的刚度矩阵和质量矩阵，结合步骤Dl的超单元文件生成该工况下的节点应力幅，再与该工况的疲劳设置文件结合上一工况下的疲劳累积损伤文件共同进行疲劳计算，生成该工况下的疲劳寿命文件和疲劳累积损伤文件； D5.重复步骤D4直至完成所有工况的疲劳计算，得到海上风机基础的疲劳寿命。
7.根据权利要求6所述的一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，其特征在于所述的步骤Dl还考虑一年一遇的环境载荷数据。
8.根据权利要求6所述的一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，其特征在于所述的步骤Dl还考虑海生物对桩基结构的影响。
9.根据权利要求1所述的一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，其特征在于所述的步骤D是根据S-N曲线以及雨流计数法进行疲劳寿命计算。
10.根据权利要求1所述的一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，其特征在于所述的土壤条件是基于土壤参数轴向载荷一位移T-Z曲线、桩尖载荷一位移Q-Z曲线以及侧向承载力一位移P-Y曲线，根据勘查得到的海底土壤物理及力学性能，依据规范APIRP2A计算得出。
11.根据权利要求1所述的一种海上风机基础全时程耦合疲劳分析方法，其特征在于所述的分析方法中选取S-N曲线时考虑了腐蚀、阴极保护系统对S-N曲线的影响。
12.—种应用权利要求1-11中任一项所述方法的海上风机基础全时程耦合疲劳分析系统，其特征在于包括: 建模模块，用于利用SACS软件建立海上风机基础及塔筒模型； 模型输出及存储模块，用于将建模模块建立的模型的基础结构数据以precede.$PJ文件的形式输出并存储； 疲劳工况载荷计算模块，用于通过BLADED软件读取模型输出及存储模块输出的precede.$PJ文件,并进行疲劳工况载荷计算； 疲劳寿命计算模块，用于通过SACS软件读取疲劳工况载荷计算模块计算出来的各个工况下的疲劳载荷以及对 应的波谱参数，计算并累积各工况下的疲劳损伤，并计算出疲劳寿命。
【文档编号】G01M99/00GK103645065SQ201310728468
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】吴永祥, 贾法勇, 李明辉 申请人:国电联合动力技术有限公司