疲劳分析方法：循环计数和S-N曲线应用

风力发电机组结构件疲劳分析的一般方法为：首先了解有关零部件的几何形状、材料性能、加工工艺和加载历史，应用结构分析技术判别可能发生破坏的位置，即危险点；然后计算外载荷条件下的局部应力-应变响应。对于复杂的加载历史，应用循环计数法对载荷分析处理得出统计规律；最后利用部件或材料疲劳S-N曲线对结构件进行疲劳损伤分析，获得疲劳寿命的预计值。其主要步骤如图12-18所示。

疲劳分析流程中，几个重要的环节如下。

图12-18 疲劳分析的主要步骤

1.设计载荷谱

风力发电机组的载荷谱来源可以是实际检测的数据，也可以是基于相关规范通过仿真计算获得的数据。一般来说，在风力发电机组初步设计阶段，疲劳分析使用的载荷谱主要是依据相关规范，通过软件仿真计算获得的一组数据。

应当注意的是用于疲劳分析的载荷谱，应能够包括机组运行中可能遇到的所有涉及疲劳损坏的工况；表征载荷谱数据的时间长度和时间间隔应能够体现载荷的瞬时变化程度；完整的载荷谱数据应包括若干组载荷-时间历程数据和载荷谱累计循环次数数据（即工况频率数据）。

2.S-N曲线参数(www.xing528.com)

一般地，基于测试数据拟合的S-N曲线是首选方案。但是，这种方法存在测试周期长，制作成本高，有限的测试数据未必可靠等问题。目前，风电行业业内多采用设计疲劳S-N曲线进行疲劳分析。所谓设计疲劳S-N曲线是指考虑了生存概率，尺寸效应，材料局部安全系数，载荷安全系数等因素的一组S-N曲线参数数据。风力发电机组常用的设计疲劳S-N曲线参数是根据经验公式获得的，具体的对于每个零部件来说，参考文献[45]推荐了适用的计算方法。例如铸铁材料或锻件材料可采用《Leitfaden fureine Betriebsfestigkeitsberech-nung》中的拟合方法，相关参数须满足参考文献[45]的要求；螺栓或焊接结构件的S-N曲线参数推荐采用参考文献[45][56]的计算方法，相关参数首先要满足参考文献[45]的要求。

3.应力数值计算

影响疲劳结果的一个关键因素是如何计算应力时间序列数据。风力发电机组结构件的应力数值计算主要有两种方法：一类是基于有限元法的外推法或内插值法，另一类是根据弹性力学或经验公式推导的工程计算方法。

基于有限单元法的外推法，通常也称为准静态分析方法是基于线性偏微分方程组满足叠加性的性质，即：一组不同方向载荷综合作用所产生的效果，等于这些载荷单独产生效果的累加。所以，预计算结构件的应力时间序列可以通过分别计算结构件在F_x～M_z六组单位载荷单独作用下的应力数值，再以载荷值作为加权因子，通过叠加计算得到。应当注意的是，准静态计算方法仅适用于线性或拟线性系统，且只能用作应力张量及其分量之间的线性叠加。

对于具有非线性特征的结构件。如轮毂与主轴之间的螺栓，因其应力状态受到端面边界非线性的影响，不适用于准静态计算方法。一种分析方法认为，对于载荷单独作用时的情况，可以将疲劳载荷时间序列中的极值加载至分析模型中，并按10％，20％，…，100％增量步输出应力数据，进而根据载荷与应力的关系构造分段线性函数。则要计算某载荷值作用下的应力，可根据此函数式获得。对于载荷综合作用的情况，鉴于疲劳载荷通常远小于极限工况的载荷极限值，分析模型在定常载荷作用下属于拟线性系统，所以由不同方向载荷综合作用下的应力，可通过加权叠加的方法获得。

工程计算方法一般适用于外形简单，受载简单的一类结构件。例如，可用于计算锥筒式塔筒环焊缝的疲劳强度以及“L”型或“T”型法兰螺栓连接的疲劳强度。风力发电机组中常用的疲劳工程算法计算流程可参考文献[45]中的规定。