风机部件的损伤分析方法、装置及存储介质与流程

1.本发明涉及风力发电机组技术领域，尤其涉及风机部件的损伤分析方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.风电作为现阶段发展最快的可再生能源之一，在全球电力生产结构中的占比正在逐年上升，拥有广阔的发展前景。
3.ewea(europeanwindenergyassociation，欧洲风能协会)和nrel(nationalrenewableenergylaboratory，美国国家可再生能源实验室)对不同的风力发电机组(简称风机)的因故障进行停机维修的时间进行统计分析，发现传动链系统(轮毂、主轴、齿轮箱)故障导致的发电量损失最大。
4.目前风机行业在设计风力发电机组时，普遍方式是根据认证机构的设计规范对风力发电机组的疲劳损伤进行分析和优化。发明人在实现本发明的过程中，发现现有方式至少存在如下问题：由于认证机构的设计规范是针对所有载荷工况进行分析的，即只关注所有载荷工况下传动链部件的疲劳损伤问题，而对与单个载荷工况对传动链对传动链部件产生的疲劳损伤却没有进行研究，根据这种方法得到的结果进行优化设计会存在准确性不高的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种风机部件的损伤分析方法、装置、计算机设备及存储介质，以提高对风力发电机组的风机部件进行疲劳损伤分析的准确性。
6.一种风机部件的损伤分析方法，包括：
7.获取风力机组的载荷工况信息，将所述载荷工况信息输入到多体动力学模型；
8.基于所述载荷工况信息，采用所述多体动力学模型根据预设计算规则进行计算，得到风机部件的应力数据与载荷数据；
9.将所述应力数据输入到疲劳计算模块，根据预设方式计算得到所述风机部件的疲劳损伤数据；
10.按照认证标准，基于所述载荷数据与所述疲劳损伤数据对所述风机部件进行损伤分析。
11.一种风机部件的损伤分析装置，包括：
12.输入获取模块，用于获取风力机组的载荷工况信息，将所述载荷工况信息输入到多体动力学模型；
13.数据计算模块，用于基于所述载荷工况信息，采用所述多体动力学模型根据预设计算规则进行计算，得到风机部件的应力数据与载荷数据；
14.疲劳损伤计算模块，用于将所述应力数据输入到疲劳计算模块，根据预设方式计算得到所述风机部件的疲劳损伤数据；
15.损伤分析模块，用于按照认证标准，基于所述载荷数据与所述疲劳损伤数据对所述风机部件进行损伤分析。
16.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述风机部件的损伤分析方法的步骤。
17.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述风机部件的损伤分析方法的步骤。
18.上述风机部件的损伤分析方法、装置、计算机设备及存储介质，通过获取风力机组的载荷工况信息，基于载荷工况信息，采用多体动力学模型根据预设计算规则进行计算，得到风机部件的应力数据与载荷数据，通过疲劳计算模块，基于应力数据根据预设规则计算得到风机部件的疲劳损伤数据，根据认证标准，基于疲劳损伤数据对载荷数据，对风机部件进行优化，通过获取每个风机部件在不同的载荷工况下的疲劳损伤数据，从而能针对不同的载荷工况对风机部件的疲劳损伤情况进行分析与优化，进而提高对风机部件进行疲劳损伤分析的准确性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明一实施例中风机部件的损伤分析方法的一应用环境示意图；
21.图2是本发明一实施例中风机部件的损伤分析方法的一流程图；
22.图3是本发明一实施例中风机部件的损伤分析装置的结构示意图；
23.图4是本发明一实施例中计算机设备的一示意图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.本发明提供的风机部件的疲劳损伤方法，可应用在如图1的应用环境中，其中，终端设备通过网络与服务器进行通信。其中，终端设备可以但不限于各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。服务器可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。
26.系统框架可以包括终端设备、网络和服务器。网络用以在终端设备和服务器之间提供通信链路的介质。网络可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。
27.用户可以使用终端设备通过网络与服务器交互，以接收或者发送消息等。
28.终端设可以是具有显示屏并且支持网页浏览的各种电子设备，包括但不限于智能
手机、平板电脑、电子书阅读器、mp3播放器(moving picture eperts group audio layer iii，动态影像专家压缩标准音频层面3)、mp4(moving picture eperts group audio layer iv，动态影像专家压缩标准音频层面4)播放器、膝上型便携计算机和台式计算机等等。
29.服务器可以是提供各种服务的服务器，例如对终端设备上显示的页面提供支持的后台服务器。
30.需要说明的是，本发明实施例所提供的风机部件的损伤分析方法由服务器执行，相应地，风机部件的损伤分析装置设置于服务器中。
31.应该理解，图1中的终端设备、网络和服务器的数目仅仅是示意性的，根据实现需要，可以具有任意数目的终端设备、网络和服务器，本发明实施例中的终端设备具体可以对应的是实际生产中的应用系统。
32.在一实施例中，如图2所示，提供一种风机部件的损伤分析方法，包括如下步骤s101至s104：
33.s101，获取风力机组的载荷工况信息，将载荷工况信息输入到多体动力学模型。
34.其中，风力机组的载荷工况信息指的是风力发电在设计条件下的载荷情况，即在设计条件下，载荷工况信息指的是风力发电机的多个载荷工况(designloadcase)。一个载荷工况对应的风况不同，因而风机、风机部件收到的载荷也不同。
35.多体动力学模型是根据风机部件之间的连接关系建立的仿真模型，用以对风机部件受力时的受力情况进行仿真。
36.多体动力学模型是对风机部件的受力情况进行受力仿真的仿真模型，将各个部件连接，并将连接点作为关键点，获取关键点受到的作用力并作为结果输出。
37.在本实施例中，作为一种可选方式，风机部件具体是风力发电机组中的传动链部。传动链部件的作用是将风力发电机的叶片收集的能量传递到发电机。
38.在风力发电机中，叶片通常是安装在变桨系统上，变桨系统安装在轮毂上，轮毂通过螺栓连接到主轴上，主轴后面接齿轮箱，齿轮箱通过高速轴连接到发电机。传动链部件主要是通过轮毂、主轴等部件组成，在多体动力学模型中，将传动链部件进行连接，从而获取传动链部件所受到的作用力。
39.s102，基于载荷工况信息，采用多体动力学模型根据预设计算规则进行计算，得到风机部件的应力数据与载荷数据。
40.其中，载荷工况信息由标准风况文件生成，对应了多种载荷工况，每一种载荷工况模拟了不同程度大小的风力，多体动力学模型根据每一种载荷工况生成对应的应力数据与载荷数据。其中，应力数据与载荷数据分别基于其对应的载荷工况进行存储。
41.其中，应力数据是指风机部件在受到外力而变形时，在风机部件之间产生相互作用的内力。
42.作为一种可选方式，多体动力学模型根据载荷工况生成对应的载荷计算参数，并将载荷计算参数输入到服务器中，服务器则基于载荷就散参数进行每一种载荷工况下的载荷数据。
43.进一步的，载荷计算参数包括风机参数与风资源参数，其中，风机参数包括：风轮直径、切入风速、切出风速、额定风速等。风资源参数包括：空气速度、湍流强度期望值、年平
均风速、入流倾角、参考风速、风切变等。
44.s103，将应力数据输入到疲劳计算模块，根据预设方式计算得到风机部件的疲劳损伤数据。
45.其中，疲劳计算模块与多体动力学模型连接，通过多体动力学模块的接口获取到应力数据，基于应力数据与载荷工况下的预设值的比例，确定在当前载荷工况下的疲劳损伤，并计算风机部件在每一个载荷工况下的疲劳损伤，将所有载荷工况下的疲劳损伤进行累加，得到风机部件的疲劳损伤数据。
46.进一步的，风机设计的专业人员可以通过本实施例中每个载荷工况对应的疲劳数据对风机部件进行专门的优化，提到对风机部件进行优化的针对性，延长风机的使用寿命。
47.s104，按照认证标准，基于载荷数据与疲劳损伤数据对风机部件进行损伤分析。
48.其中，基于风机设计领域的认证标准，将载荷数据与疲劳损伤数据按照认证标准输出，并根据载荷数据与疲劳损伤数据与载荷工况的对应关系，对风机部件进行损伤分析，即确定风机部件在多个载荷工况下的疲劳损伤最大，则根据分析结果对风机部件的材料、连接结构进行优化，从而提高风机部件的使用寿命，从而提高风机的发电量。
49.本实施例提供的风机部件的损伤分析方法，通过获取风力机组的载荷工况信息，基于载荷工况信息，采用多体动力学模型根据预设计算规则进行计算，得到风机部件的应力数据与载荷数据，通过疲劳计算模块，基于应力数据根据预设规则计算得到风机部件的疲劳损伤数据，根据认证标准，基于疲劳损伤数据对载荷数据，对风机部件进行优化，通过获取每个风机部件在不同的载荷工况下的疲劳损伤数据，从而能针对不同的载荷工况对风机部件的疲劳损伤情况进行分析与优化，进而提高对风机部件进行疲劳损伤分析的准确性。
50.在本实施例的一些可选的实现方式中，在步骤s101之前，还包括如下步骤a至b：
51.a，通过有限单元法建立风机部件之间的连接关系，基于连接关系建立风机部件柔性体模型。
52.其中，有限单元法将风机部件剖分成有限个互不重叠且相互连接的部件单元，在每个部件单元内选择符合部件的物理受力特点的基函数，将每个部件单元的基函数的线性表示进行逼近，得到每个部件单元的求解函数，再将近似函数代入积分方程，并对部件单元区域进行积分，可获得含有部件单元中各节点的参数值的代数方程组，将所有部件单元的代数方程组进行连接，得到风机部件的柔性体模型。
53.进一步，在本实施例中，风机部件具体是指风机的传动链部件，构建传动链部件柔性体模型，从而获得传动链部件受到外力产生变形后的作用力。
54.柔性体模型中将部件的刚度设置为有限的，即当柔性体模型受到外力后会产生变形的相对力，相较于其他采用刚性体模型的方法，获取的的结果更为精确，有益于提高对风机部件进行疲劳分析的准确性，因此针对风机部件进行优化的效果更有针对性且更为准确。
55.b，将风机部件柔性体模型与风力机组的部件进行连接并进行模型构建，得到多体动力学模型。
56.其中，在本实施例中，按照风力机组的结构，将传动链部件组成的柔性体模型与除传动链部件之外的风力机组部件进行连接，得到多体动力学模型。
57.在本实施例中，风机部件即传动链部件采用柔性体模型，并将柔性体模型与风力机组的其他部件进行连接，构成多体动力学模型，从而多体动力学模型在受到风力作用时，可以获取到风机部件所受到的应力，根据应力可以计算得到风机部件的疲劳损伤数据，根据疲劳损伤数据可以对风机部件的疲劳损伤情况进行分析，提高对风机部件进行疲劳损伤分析的准确性，为风机设计人员提供优化方向。
58.在本实施例的一些可选的实现方式中，步骤s102中，基于载荷工况信息，采用多体动力学模型根据预设计算规则进行计算，得到风机部件的应力数据，包括如下步骤s1021：
59.s1021，基于载荷工况信息，根据雨流计数算法获取风机部件在每一个载荷工况的应力幅值与应力次数，将应力幅值、应力次数作为风机部件的应力数据。
60.其中，将多个载荷工况作为输入，并针对同一载荷工况，根据雨流计数算法获取风机部件的应力幅值与应力次数。
61.在风机部件的工作环境中，受到周期性载荷作用，载荷有可能是恒幅的，也可能是随时间变化的。对于恒幅载荷，一个循环的振幅和风机部件所经历的循环次数都可以直接确定。然而，如果风机部件受到的载荷是随时间变化的，一个循环的构成及其相应的振幅就难以确定。
62.雨流计数算法的执行基于风机部件的材料的应力
‑
应变行为，对风机部件受到的载荷或应变历程的计数过程反映了记忆特征，可以如实再现变幅循环加载，可以识别复杂载荷序列中与恒幅疲劳数据相似的事件。
63.因此，采用雨流计数算法获取到的风机部件的应力幅值与应力次数，与真实情况下，风机部件的工作环境更为接近。在此基础上计算得到的风机部件的疲劳损伤数据与风机部件的实际损伤情况更接近，即更能反映风机部件的真实疲劳情况。
64.在本实施例的一些可选的实现方式中，步骤s103包括如下步骤s1031至s1032：
65.s1031，针对风机部件的每个载荷工况，获取载荷工况的疲劳损伤曲线，并基于疲劳损伤曲线、载荷工况下的应力幅值与应力次数，确定载荷工况对应的疲劳损伤值。
66.其中，根据认证标准，根据风机部件的材料，获取风机部件的疲劳损伤曲线(s/n曲线)，并基于疲劳损伤曲线、应力幅值与应力次数，确定在当前载荷工况的疲劳损伤值。
67.作为一种实现方式，具体可以通过如下公式确定当前载荷工况的疲劳损伤值：
[0068][0069]
其中，是在疲劳损伤曲线中的参考应力幅值，n
d
是指达到时的应力次数。δσ是指当前载荷工况下的应力幅值，n则是当应力幅值是δσ时风机部件损伤的应力次数。
[0070]
在当前载荷工况下，应力幅值是δσ，而获取的应力次数是n
i
，则在当前载荷工况下的疲劳损伤值为：
[0071][0072]
其中，s为当前载荷工况下，风机部件的疲劳损伤值。
[0073]
s1032，将所有载荷工况对应的疲劳损伤值进行累计计算，得到风机部件的疲劳损伤数据。
[0074]
其中，基于疲劳损伤的线性叠加原理，将每一个载荷工况的疲劳损伤值进行线性叠加，得到风机部件的疲劳损伤数据。
[0075]
作为一种可选方式，多体动力学模型可以输出风机部件中每一个部件的应力数据，并在同一个载荷工况中，分别根据每一个部件的应力数据，分别输出不同部件之间的疲劳损伤数据。
[0076]
在本实施例的一些实现方式中，还包括如下步骤e至f：
[0077]
e，获取风机部件的控制信息，基于控制信息对风机部件的疲劳损伤数据进行分析，得到控制信息与疲劳损伤数据之间的线性关系。
[0078]
其中，风机部件的控制信息具体从与多体动力学模型连接的控制器中获取。控制器根据控制策略对风力机组进行控制。在相同的载荷工况下，不同的控制策略会对风力机组、风机部件的疲劳寿命有不同的影响。
[0079]
根据控制策略的参数，每个载荷工况的风机部件的疲劳损伤数据，建立控制策略与每个载荷工况的疲劳损伤数据的线性关系。
[0080]
f，基于线性关系，对风机部件进行损伤分析。
[0081]
其中，根据该线性关系，据此确定对风机部件即传动链部件的疲劳损伤影响较大的因素，据此为设计者提供风机设计优化的方向。
[0082]
进一步的，在步骤e中还包括如下步骤：
[0083]
通过控制器获取风机部件的控制策略信息与控制参数，将控制策略参数与控制参数作为控制信息。
[0084]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0085]
在一实施例中，提供一种风机部件的损伤分析装置，该风机部件的损伤分析装置与上述实施例中风机部件的损伤分析方法一一对应。如图3所示，该风机部件的损伤分析装置包括如下模块：
[0086]
输入获取模块31，用于获取风力机组的载荷工况信息，将载荷工况信息输入到多体动力学模型。
[0087]
数据计算模块32，用于基于载荷工况信息，采用多体动力学模型根据预设计算规则进行计算，得到风机部件的应力数据与载荷数据。
[0088]
疲劳损伤计算模块33，用于将应力数据输入到疲劳计算模块，根据预设方式计算得到风机部件的疲劳损伤数据。
[0089]
损伤分析模块34，用于按照认证标准，基于载荷数据与疲劳损伤数据对风机部件进行损伤分析。
[0090]
在本实施例中的一些可选的实现方式中，风机部件的损伤分析装置还包括如下单元：
[0091]
柔性体模型建立单元，用于通过有限单元法建立风机部件之间的连接关系，基于连接关系建立风机部件柔性体模型。
[0092]
多体动力学模型构建单元，用于将风机部件柔性体模型与风力机组的部件进行连接并进行模型构建，得到多体动力学模型。
[0093]
在本实施例中的一些可选的实现方式中，数据计算模块32还包括如下单元：
[0094]
应力数据获取单元，用于基于载荷工况信息，根据雨流计数算法获取风机部件在每一个载荷工况的应力幅值与应力次数，将应力幅值、应力次数作为风机部件的应力数据。
[0095]
本实施例中的一些可选的实现方式中，疲劳损伤计算模块33还包括如下单元：
[0096]
疲劳损伤值计算单元，用于针对风机部件的每个载荷工况，获取载荷工况的疲劳损伤曲线，并基于疲劳损伤曲线、载荷工况下的应力幅值与应力次数，确定载荷工况对应的疲劳损伤值。
[0097]
疲劳损伤数据计算单元，用于将所有载荷工况对应的疲劳损伤值进行累计计算，得到风机部件的疲劳损伤数据。
[0098]
在本实施中，风机部件的损伤分析装置包括如下单元：
[0099]
线性关系获取单元，用于获取风机部件的控制信息，基于控制信息对风机部件的疲劳损伤数据进行分析，得到控制信息与疲劳损伤数据之间的线性关系。
[0100]
损伤分析单元，用于基于线性关系，对风机部件进行损伤分析。
[0101]
进一步的，在线性关系获取单元中还包括如下子单元：
[0102]
控制信息获取子单元，用于通过控制器获取风机部件的控制策略信息与控制参数，将控制策略参数与控制参数作为控制信息。
[0103]
其中上述模块/单元中的“第一”和“第二”的意义仅在于将不同的模块/单元加以区分，并不用于限定哪个模块/单元的优先级更高或者其它的限定意义。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块，本技术中所出现的模块的划分，仅仅是一种逻辑上的划分，实际应用中实现时可以有另外的划分方式。
[0104]
关于风机部件的损伤分析装置的具体限定可以参见上文中对于风机部件的损伤分析方法的限定，在此不再赘述。上述风机部件的损伤分析装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0105]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储风机部件的损伤分析方法中涉及到的数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种风机部件的损伤分析方法。
[0106]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中风机部件的损伤分析方法的步骤，例如图2所示的步骤s101至步骤s104及该方法的其它扩展和相关步骤的延伸。或者，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中风机部件的损伤分析装置
的各模块/单元的功能，例如图3所示模块31至模块34的功能。为避免重复，这里不再赘述。
[0107]
所述处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field
‑
programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。
[0108]
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述计算机装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、视频数据等)等。
[0109]
所述存储器可以集成在所述处理器中，也可以与所述处理器分开设置。
[0110]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中风机部件的损伤分析方法的步骤，例如图2所示的步骤s101至步骤s104及该方法的其它扩展和相关步骤的延伸。或者，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中风机部件的损伤分析装置的各模块/单元的功能，例如图3所示模块31至模块34的功能。为避免重复，这里不再赘述。
[0111]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0112]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
[0113]
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。