考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒风致疲劳寿命评估

作     者：张广隶 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李万润

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 081402[工学-结构工程] 

主      题：风力发电机塔筒 风速风向 联合分布 主S-N曲线 风致疲劳 

摘      要：在风电行业高速发展的同时,风力发电机倒塌事故频频发生,而大多数倒塌事故的原因都可以归结于焊缝疲劳断裂。风力发电机作为一种典型的对风荷载敏感的高耸结构,其塔筒与法兰之间的连接以及门框与塔筒之间的连接等都采用了焊接连接形式,因此对风荷载引起的塔筒焊缝风致疲劳寿命的研究一直是风力发电机结构设计中的重要问题。目前关于风电塔筒风致疲劳的研究中,大多数为数值模拟计算,同时其风荷载缺乏实测数据的支持,且在数值模拟风力发电机结构响应时,不论是将风荷载以节点力的形式作用于塔架进行结构响应计算,还是利用CFD进行流场分析,都很少考虑风向的影响。因此,为更准确的进行风电塔筒风致疲劳寿命评估,本文基于实测风速风向数据分析结果,考虑风速风向联合概率分布,利用主S-N曲线法对风电塔筒结构风致疲劳展开研究,主要包括以下三个方面的内容:(1)针对某2.5MW大型风力发电机结构,建立三种风电塔筒结构有限元模型(无法兰无门洞、有法兰无门洞、有法兰有门洞),分析建模时构建法兰和门洞对结构的自振特性的影响,并根据Davenport谱和谐波叠加法模拟的风荷载,对风电塔筒结构有限元模型进行了动力响应分析,构建四种不同网格大小的有限元模型,计算塔筒法兰和门洞区域焊缝处的结构应力,验证结构应力的网格不敏感性,结合Miner线性累积法则和雨流计数法对塔筒法兰及门洞焊缝进行疲劳寿命计算,基于主S-N曲线法对风电塔筒结构风致疲劳进行评估;(2)建立有机舱、轮毂、叶片和塔筒的风电塔筒结构整体有限元模型,通过改变风轮朝向与门洞朝向的夹角来考虑风向的变化,进行相同风速不同风向和不同风速相同风向的风振响应分析,计算各法兰与塔筒连接处以及门洞两侧的结构应力,分析风向和风速变化对结构应力的影响,确定易发生疲劳损伤的关键点,并计算各关键点的疲劳寿命,研究风速和风向变化对塔筒疲劳寿命的影响规律;(3)基于甘肃六个风电场比较集中的地区长达37年的实测风速风向数据,采用阶段极值法抽取极值样本,分析各地区风速风向联合概率分布,并将Gumbel,Frechet和Weibull分布函数线性化,利用最小二乘法拟合各地区全方位及不同风速风向分布参数,预测各地区10,50及100年重现期下各地区的基本风速;基于风速风向联合概率分布预测结果,进行风力发电机塔筒风致疲劳寿命评估。