專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的可靠度分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，特別涉及一種基于等價(jià)極值事件的風(fēng)力發(fā)電高塔結(jié)構(gòu) 安全可靠度分析。
背景技術(shù)：
海上風(fēng)力發(fā)電高塔的外部環(huán)境是十分復(fù)雜的，受到風(fēng)、地震和海浪的作用。而風(fēng)力 發(fā)電機(jī)也有自己的運(yùn)行狀態(tài)，有其失效模式。在不同運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，受到不同外部激勵(lì)時(shí) 所產(chǎn)生反應(yīng)是不同的。例如，有的情況是由強(qiáng)度控制，而有的情況又由疲勞極限限制。由于 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和外部受力的復(fù)雜性，兩者具有隨機(jī)耦合特性，造成了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī) 范中的諸多工況?？癸L(fēng)動力可靠度是指結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下滿足規(guī)定功能要求的概率。在過去40 年中，基于首次跨越失效機(jī)制，發(fā)展了泊松過程法、馬爾可夫法、FPK方程法、數(shù)值模擬法、隨 機(jī)有限元法、Volterra級數(shù)法等一系列方法研究結(jié)構(gòu)動力可靠度問題。最早，用于風(fēng)力發(fā) 電高塔設(shè)計(jì)的可靠度方法是FMEA，故障樹法和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估法。綜合了上述各種方法，在 1995年發(fā)展了安全可靠度評估方法，對風(fēng)力發(fā)電高塔進(jìn)行安全評估。此后在上世紀(jì)90年 代，對槳葉的可靠度設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一系列研究。在IEC 61400-1規(guī)范中運(yùn)用并進(jìn)一步細(xì) 化了基于可靠度的分項(xiàng)系數(shù)法。2003年，利用環(huán)境參數(shù)法來對風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的風(fēng)場進(jìn) 行建模。與傳統(tǒng)的用數(shù)值方法計(jì)算所得的外部荷載相比，此處包含了外部環(huán)境更全面的信 肩、ο上述幾種方法都是在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為線性、因而疊加原理可以應(yīng)用的前提之下的。而 當(dāng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為非線性時(shí)，要進(jìn)行頻域分析就必須首先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性化處理，這必然導(dǎo)致 無法精確真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)動力特性。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法多基于各部件的設(shè) 計(jì)，沒有基于結(jié)構(gòu)整體可靠性的設(shè)計(jì)方法，并且對于整體結(jié)構(gòu)的非線性及荷載的隨機(jī)性不 能準(zhǔn)確反映。并且由于外部荷載的隨機(jī)性，造成了用已有的分析方法不能對風(fēng)力發(fā)電高塔 的可靠度進(jìn)行客觀的評價(jià)。終上所述，有必要考慮荷載的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)的非線性，確定荷載的隨機(jī)參數(shù)，對風(fēng) 力發(fā)電高塔進(jìn)行整體有限元建模，得出較為可靠的可靠度分析結(jié)果，從而為實(shí)際的工程設(shè) 計(jì)提供可靠的計(jì)算和分析依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的可靠度分析方法，有效可靠地解 決了外部荷載隨機(jī)性的問題，且利用等價(jià)極值事件原理計(jì)算出系統(tǒng)的可靠度。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是一種風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的可靠度分析方法，其包括以下步驟選取風(fēng)力發(fā)電高塔的外部荷載隨機(jī)參數(shù)(隨機(jī)參數(shù)根據(jù)選取的荷載模型選取)；選取或生成與隨機(jī)參數(shù)對應(yīng)的外部荷載；
在ANSYS系統(tǒng)中建立風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的殼單元模型；將外部荷載輸入ANSYS模型中進(jìn)行動力響應(yīng)分析；利用等價(jià)極值原理算出系統(tǒng)的可靠度。具體包括選取風(fēng)力發(fā)電高塔的外部荷載隨機(jī)參數(shù)；選取或生成η條風(fēng)速時(shí)程作為隨機(jī)參數(shù)對應(yīng)的外部荷載，并且確定每條時(shí)程的概 率；在ANSYS系統(tǒng)中建立風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的殼單元模型，具體是包括槳葉、轉(zhuǎn)子、機(jī) 艙和塔體在內(nèi)的系統(tǒng)“一體化”模型；將選取的風(fēng)速時(shí)程輸入ANSYS模型中進(jìn)行動力響應(yīng)分析，計(jì)算得到對應(yīng)的η條響 應(yīng)時(shí)程；將每條響應(yīng)時(shí)程的最大值提取出來，利用等價(jià)極值原理算出系統(tǒng)的可靠度。利用Fourier譜，設(shè)其相位角服從W，2 π ]的均勻分布，對于不同的隨機(jī)變量，對 其進(jìn)行Fourier逆變換，以生成一組隨機(jī)風(fēng)速時(shí)程。本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的可靠度分析方法，確定隨機(jī)風(fēng)場的隨機(jī)參數(shù)，建立 系統(tǒng)的有限元模型；能將生成的η條隨機(jī)風(fēng)速時(shí)程輸入有限元軟件中，加載到系統(tǒng)模型上 進(jìn)行動力時(shí)程分析；選取每一條響應(yīng)時(shí)程的最大值，構(gòu)成一個(gè)隨機(jī)虛擬函數(shù)；將構(gòu)成的隨 機(jī)虛擬函數(shù)代入概率密度演化方程中，求出系統(tǒng)的可靠度。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)綜合考慮了各類荷載的影響，可以得出外部復(fù)雜荷載條件下風(fēng)機(jī)的響應(yīng)?；诟?率密度演化理論，風(fēng)、海浪和地震等外部荷載作用的隨機(jī)性得到充分的考慮，結(jié)構(gòu)整體及局 部響應(yīng)的概率分布及演化也可以清晰直觀的表達(dá)。在此基礎(chǔ)上，對于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能更 精細(xì)，在保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下，成本將會大大降低。


圖1是所生成的某一條風(fēng)速時(shí)程曲線示意圖。圖2是在ANSYS中建立的有限元模型示意圖。圖3是穩(wěn)定性指標(biāo)極值累積概率分布示意圖。圖4是穩(wěn)定性指標(biāo)極值概率密度函數(shù)示意圖。圖5是塔頂位移極值累積概率分布示意圖。圖6是塔頂位移極值概率密度函數(shù)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，下述實(shí)施例中所涉及到的風(fēng)力發(fā)電高塔的結(jié)構(gòu)材 料參數(shù)是
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的可靠度分析方法，其特征在于其包括以下步驟 選取風(fēng)力發(fā)電高塔的外部荷載隨機(jī)參數(shù)；選取或生成與隨機(jī)參數(shù)對應(yīng)的外部荷載； 在ANSYS系統(tǒng)中建立風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的殼單元模型； 將外部荷載輸入ANSYS模型中進(jìn)行動力響應(yīng)分析； 利用等價(jià)極值原理算出系統(tǒng)的可靠度。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的可靠度分析方法，其特征在于具體包括選取風(fēng)力發(fā)電高塔的外部荷載隨機(jī)參數(shù)；選取或生成η條風(fēng)速時(shí)程作為隨機(jī)參數(shù)對應(yīng)的外部荷載，并且確定每條時(shí)程的概率； 在ANSYS系統(tǒng)中建立風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的殼單元模型，具體是包括槳葉、轉(zhuǎn)子、機(jī)艙和 塔體在內(nèi)的系統(tǒng)“一體化”模型；將選取的風(fēng)速時(shí)程輸入ANSYS模型中進(jìn)行動力響應(yīng)分析，計(jì)算得到對應(yīng)的η條響應(yīng)時(shí)程；將每條響應(yīng)時(shí)程的最大值提取出來，利用等價(jià)極值原理算出系統(tǒng)的可靠度。
3.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的可靠度分析方法，其特征在于利用 Fourier譜，設(shè)其相位角服從W，2 π ]的均勻分布，對于不同的隨機(jī)變量，對其進(jìn)行Fourier 逆變換，以生成一組隨機(jī)風(fēng)速時(shí)程。
全文摘要
一種風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的可靠度分析方法，其包括以下步驟選取風(fēng)力發(fā)電高塔的外部荷載隨機(jī)參數(shù)；選取或生成與隨機(jī)參數(shù)對應(yīng)的外部荷載；在ANSYS系統(tǒng)中建立風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的殼單元模型；將外部荷載輸入ANSYS模型中進(jìn)行動力響應(yīng)分析；利用等價(jià)極值原理算出系統(tǒng)的可靠度。本發(fā)明的方法對于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能更精細(xì)，在保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下，成本將會大大降低。
文檔編號G06F17/50GK102004829SQ20101054637
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者周勇, 徐亞洲, 李 杰, 賀廣零, 陳建兵, 黃凱 申請人:同濟(jì)大學(xué)