【摘 要】
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风机塔在其设计使用期内经受数十亿次的循环荷载作用,不可避免地会发生疲劳损伤,而钢-混组合塔这一新型结构形式则存在较多连接部位,需要对其疲劳损伤及疲劳寿命可靠度进行科学的评估。围绕这一问题,本文开展了钢-混组合风机塔在随机风荷载作用下的时域疲劳及可靠度分析。基于叶素动量方法在FAST-Aero Dyn软件中生成风机叶轮所受的气动荷载,通过AR滤波方法自编MATLAB程序生成了塔筒外表面的风压荷载。建
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风机塔在其设计使用期内经受数十亿次的循环荷载作用,不可避免地会发生疲劳损伤,而钢-混组合塔这一新型结构形式则存在较多连接部位,需要对其疲劳损伤及疲劳寿命可靠度进行科学的评估。围绕这一问题,本文开展了钢-混组合风机塔在随机风荷载作用下的时域疲劳及可靠度分析。基于叶素动量方法在FAST-Aero Dyn软件中生成风机叶轮所受的气动荷载,通过AR滤波方法自编MATLAB程序生成了塔筒外表面的风压荷载。建立了带有精细法兰螺栓以及预应力钢绞线的钢-混塔ABAQUS有限元模型,通过模态分析获得了钢-混塔筒的动力特性。分析了塔筒在风荷载作用下的位移和应力响应,据此确定了0°角法兰螺栓、0°钢绞线底端、180°钢绞线顶端、钢筒壁背风面底部以及混凝土筒壁背风面顶部5个疲劳危险部位。基于Miner线性累积损伤理论和S-N曲线开展了钢-混塔筒疲劳危险部位的时域疲劳计算,分析了各个疲劳危险部位的损伤情况。在此基础上,采用Kriging-子集模拟法计算了塔筒的疲劳可靠度,从概率的角度出发对结构疲劳性能做出了评价,并提出了相应的建议。研究表明:基于叶素-动量理论生成了Wind PACT-3MW风机叶轮处的气动推力和气动扭矩,结果与经验公式计算值相近。采用AR法生成了基于Davenport风速谱的塔筒脉动风速时程,结果与目标功率谱拟合良好。Kriging结合子集模拟的方法能够显著降低运算所需的样本量,在时域疲劳分析时能够保持较高精度,同时大幅减少瞬态动力学分析的次数,提高疲劳分析的效率。塔筒结构疲劳损伤服从对数正态分布,并且,从可靠度的角度出发对结构疲劳寿命进行评价是更加科学的方式。在风机运行工况下,0°钢法兰螺栓的疲劳失效概率较大,在设计时应当着重关注。钢筒壁和混凝土筒壁的平均疲劳损伤和失效概率较小。疲劳验算时需同时分析迎风面的高平均应力钢绞线和背风面的高应力幅钢绞线。
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