一种海上风机导管架基础新型过渡段结构及疲劳计算方法与流程

1.本发明涉及海上风电技术领域，特别是涉及一种海上风机导管架基础新型过渡段结构及疲劳计算方法。


背景技术：

2.在国家大力推进“碳达峰”和“碳中和”的大背景下，风电、光伏、抽水蓄能行业快速发展。海上风电作为风电产业最重要的组成部分，其发展速度不容小觑，随着海上风电的高速发展，海上风机的大型化发展趋势已是必然。
3.导管架基础作为海上风机基础中最稳重可靠的基础型式之一，在海上风电的发展中占据着不可或缺的地位，而作为连接上部风机塔筒和下部主体的过渡段结构亦是起着承上启下的关键作用。海上风机大兆瓦的发展趋势使得风轮直径和轮毂高度随之增加，直接导致传递至过渡段上的风机荷载显著增大。现有大兆瓦海上风机相较于5.5mw风机的弯矩增大三倍之多，疲劳工况的校核更是难以满足规范要求，使得过渡段结构的设计异常困难。此外，国内外关于大兆瓦风机导管架基础的过渡段结构的研发也处于空白阶段。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种海上风机导管架基础新型过渡段结构及疲劳计算方法，通过这种新型且轻型的过渡段结构，并结合该结构精确的疲劳计算方法，可以大幅度的降低连接位置处的应力集中，较小疲劳累积损伤，从而提高使用年限并且降低建造和维护的成本。
5.第一方面，本发明提供了一种海上风机导管架基础新型过渡段结构，包括：
6.顶板、底板、以及在所述顶板和所述底板之间设置的腹板、加强肘板、撑板、主腿、内环板和将军柱；
7.所述顶板和所述底板通过若干个主腿相连接，若干个所述主腿均匀设置在所述顶板和所述底板的边缘位置；
8.所述将军柱设置在所述底板的中心位置，并与所述顶板相连接；
9.所述主腿的两侧分别设置有所述腹板，以使所述主腿和所述将军柱相连接，且所述腹板分别与所述顶板和所述底板相连接；
10.所述主腿两侧的所述腹板之间设置有所述撑板，以使两侧的所述腹板相连接，所述撑板与所述顶板平行设置，且所述撑板分别与所述主腿和所述将军柱相连接；
11.所述撑板与所述顶板之间设置有所述加强肘板，以使所述撑板和所述顶板相连接，所述加强肘板垂直设置在所述撑板上，且所述加强肘板分别与所述主腿和所述将军柱相连接；
12.所述顶板与所述将军柱相连接的位置设置有内环板。
13.进一步地，所述顶板、所述底板、所述腹板、所述加强肘板、所述撑板、所述主腿、所述内环板和所述将军柱之间均采用双面坡口熔透焊的方式进行连接。
14.进一步地，所述将军柱侧面设置有塔筒门，所述塔筒门的四周边缘处设置有加强面板。
15.进一步地，所述腹板中间位置设置有减轻孔，所述腹板的上侧设置有人孔。
16.进一步地，所述内环板的内侧面设置有加强面板。
17.进一步地，所述加强肘板和所述撑板的厚度由所述过渡段结构的疲劳累积损伤确定。
18.第二方面，本发明提供了一种海上风机导管架基础新型过渡段结构疲劳计算方法，应用于如上所述的海上风机导管架基础新型过渡段结构，包括：
19.对过渡段结构的焊缝热点进行定义，并提取所述焊缝热点的热点应力；
20.根据所述热点应力，计算所述过渡段结构在等效疲劳荷载下的循环次数；
21.根据所述循环次数，计算在不同预设条件下的多个疲劳损伤，将多个所述疲劳损伤之和作为所述过渡段结构的疲劳累积损伤，所述预设条件包括风向角和相对应的疲劳损伤发生概率。
22.进一步地，在施加等效荷载的基础上对所述过渡段结构的焊缝热点进行定义，并对所述焊缝热点的热点应力进行后处理。
23.进一步地，采用如下公式计算所述循环次数：
[0024][0025]
式中，n为循环次数，a为常数，lga为lgn轴上的截距，m为s-n曲线斜率的负倒数，t
ref
为参照厚度，t为最可能发生裂纹的厚度，k为疲劳强度的厚度指数，s为热点应力。
[0026]
进一步地，采用如下公式计算所述疲劳累积损伤：
[0027][0028]
式中，d为疲劳累积损伤，p为工况数，ni为第i个工况的应力循环次数，ni为第i个工况的总应力循环次数。
[0029]
上述发明提供了一种海上风机导管架基础新型过渡段结构及疲劳计算方法。通过所述过渡段结构，可以准确的计算新型过渡段结构由风机载荷产生的疲劳累积损伤，从而精确地估算结构的使用寿命，有效地预防服役期内结构因风机荷载等产生的疲劳破坏，为服役期内结构的安全性提供了有利的保障，这对于现有的大兆瓦级海上风电机组来说，是非常有意义的。
附图说明
[0030]
图1是本发明实施例提供的海上风机导管架基础新型过渡段结构的结构示意图；
[0031]
图2是图1中腹板之间的加强肘板和撑板的结构示意图；
[0032]
图3是未设加强肘板和撑板的过渡段结构的疲劳累积损伤结果示意图；
[0033]
图4是增设撑板的过渡段结构的疲劳累积损伤结果示意图；
[0034]
图5是增设加强肘板的过渡段结构的疲劳累积损伤结果示意图；
[0035]
图6是增设加强肘板和撑板的过渡段结构的疲劳累积损伤结果示意图。
具体实施方式
[0036]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。
[0037]
请参阅图1，本发明第一实施例提出的一种海上风机导管架基础新型过渡段结构，包括：顶板1、底板5、以及在所述顶板和所述底板之间设置的腹板2、加强肘板3、撑板4、主腿6、内环板7和将军柱9。下面将结合图1和图2，对本实施例的过渡段结构进行详细说明：
[0038]
本实施例中顶板1和底板5之间通过若干个主腿6相连接，这些主腿均匀设置在顶板1和底板5的边缘位置，其主腿6的数量根据顶板1和底板5的形状可以灵活设置，而本实施例中优选的将顶板1和底板5设置成四角星形状，因此可以将主腿6设置为4个，分别位于顶板1和底板5的四个角上，并且，在底板5的中心位置设置了将军柱9，将军柱9的顶部连接到顶板1的中心位置，由于将军柱9上设置有塔筒门12，由于整个结构的厚度和重量的问题，为了防止这种空间结构的变形，我们在塔筒门12的四周边缘部分设置了加强面板8防止塔筒门12结构的变形。
[0039]
为了使顶板1和底板5组成的结构更加稳固，在每个主腿6的两侧都设置了腹板2，腹板2左右与主腿6和将军柱9相连接，其上下方分别连接在顶板1和底板5上，同时为了对腹板进行加强固定，本实施例中还使用了加强肘板3和撑板4，其中，在主腿6两侧相邻近的腹板2之间设置了撑板4，撑板4位置上与顶板1相平行，且撑板4四周分别与两个腹板2、主腿6以及将军柱9相连接，同时在撑板4上又垂直设置了加强肘板3，加强肘板3不仅连接顶板1和撑板4，同时还左右连接主腿6和将军柱9，从而给与腹板2更多的支撑。
[0040]
而在顶板1上表面设置有法兰13，通过法兰13与塔筒的法兰相连接，在顶板1与将军柱9相连接的位置设置有内环板7，内环板7可以有效的减少将军柱9与顶板1交接位置处的应力集中，并且为了防止内环板7的变形，在内环板7的内侧还设置了加强面板8。
[0041]
同时，在腹板2的中部还设置了圆形减轻孔11，在保证结构不发生屈曲的情况下来有效的减轻整个结构的重量，并且为了便于腹板2与主腿5和顶板1的焊接，还在腹板2的上部设置了人孔10，以方便人员的进出。本实施例中结构的各个部分之间均采用双面坡口熔透焊的方式进行连接，增强了整个结构的牢固性。
[0042]
在具体使用时，风机荷载由塔筒向下传递到主腿6、腹板2和加强肘板3，这种通过腹板2、加强肘板3和撑板4组成的过渡段可以提供较好的承受力，从而能够有效减少大兆瓦风机荷载引起的疲劳累积损坏。
[0043]
本实施例中的加强肘板3和撑板4的厚度是根据过渡段结构的疲劳累积损伤来确定的，因此，本发明第二实施例提供了一种海上风机导管架基础新型过渡段结构疲劳计算方法，具体步骤为：
[0044]
对过渡段结构的焊缝热点进行定义，并且提取焊缝热点的热点应力，应当注意的是，此处的热点定义需要在施加等效荷载的基础上进行定义，并且定义的焊缝热点应力需要进行后处理，具体的定义和提取过程在此不再一一赘述。
[0045]
在得到热点应力之后，需要计算过渡段结构在等效疲劳荷载下的循环次数，然后根据循环次数，来计算不同方向和不同发生概率下的疲劳损伤，基于不同风向角下的荷载
与发生概率的这些疲劳损伤进行多角度全概率的疲劳累积损伤的计算，其中，循环次数的计算公式为：
[0046][0047]
式中，n为循环次数，a为常数，lga为lgn轴上的截距，m为s-n曲线斜率的负倒数，t
ref
为参照厚度，t为最可能发生裂纹的厚度，k为疲劳强度的厚度指数，s为热点应力。
[0048]
而疲劳累积损伤的计算公式为：
[0049][0050]
式中，d为疲劳累积损伤，p为工况数，ni为第i个工况的应力循环次数，ni为第i个工况的总应力循环次数。
[0051]
本实施例以某海上风电厂的大兆瓦风机为例，对过渡段结构的疲劳累积损伤进行计算，首先通过大型通用有限元分析软件ansys，并给予apdl语言将过渡段结构进行三维实体建模，在此基础上施加等效疲劳荷载并求解，对过渡段结构板材与板材之间的焊缝进行定义，并进行热点应力提取，然后通过公式(1)对过渡段结构等效疲劳荷载下的循环次数进行计算与提取，最后根据不同的工况下的循环次数，对疲劳损伤进行求和，通过公式(2)得到过渡段结构的疲劳累积损伤。
[0052]
为了进一步的证明本实施例的过渡段结构对疲劳累积损伤具有显著的改善，我们分别对使用不同加强方案的过渡段结构进行疲劳累积损伤计算并进行对比，具体对比结果如图3、图4、图5和图6所示，其中，图3为未设置加强肘板和撑板的过渡段结构，其疲劳累积损伤远大于规范要求的限制，图4和图5分别为增设了撑板和加强肘板的过渡段结构，根据图中的数据可以看到，分别增设加强肘板和撑板对疲劳累积损伤均有改善，但增设撑板的影响较小，增设加强肘板的效果远大于设撑板的改善效果，而图6为设置了加强肘板和撑板的过渡段结构，可以看到，在加强肘板和撑板均设置后对疲劳累积损伤改善效果显著，最大疲劳损伤减小了59.6％，疲劳校核结果已满足规范限值要求。
[0053]
综上，本发明实施例提出的一种海上风机导管架基础新型过渡段结构及疲劳计算方法，本过渡段结构采用了腹板加强的结构型式，对大兆瓦风机新型过渡段结构进行了设计优化，相比传统箱梁式过渡段工程造价大幅降低，风机荷载由塔筒向下传递到主腿、腹板和加强肘板，这种通过腹板、加强肘板和撑板组成的过渡段可以提供较好的承受力，从而能够有效减少大兆瓦风机荷载引起的疲劳累积损坏，此外，导管架基础过渡段疲劳计算方法，可以准确的计算过渡段结构由风机载荷产生的疲劳累积损伤，精确地估算结构使用寿命，有效地预防服役期内结构因风机荷载等产生的疲劳破坏，为服役期内结构的安全性提供了有利的保障。
[0054]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例直接相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。需要说明的是，上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0055]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。