本發(fā)明涉及海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞損傷評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)方法，具體涉及一種考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行及損傷后性能退化的海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞損傷評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，海上風(fēng)電得到了深遠(yuǎn)的發(fā)展。服役狀態(tài)下，海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)將承受風(fēng)荷載、波流荷載、風(fēng)機(jī)運(yùn)行等長(zhǎng)期交變荷載的作用，進(jìn)而累積形成疲勞損傷。且海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)服役環(huán)境腐蝕嚴(yán)酷程度高，結(jié)構(gòu)服役期間腐蝕問題嚴(yán)重。與此同時(shí)，腐蝕與疲勞間存在顯著耦合作用，腐蝕發(fā)展將進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞性能發(fā)生劣化。此外，腐蝕疲勞損傷后材料力學(xué)性能將發(fā)生劣化，危害結(jié)構(gòu)的服役安全。因此，需建立海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞損傷評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)方法。目前針對(duì)海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的分析方法中，多未考慮風(fēng)機(jī)服役狀態(tài)下運(yùn)行作用及腐蝕疲勞耦合作用的影響，且未考慮腐蝕疲勞損傷后性能退化，這將對(duì)海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞損傷與壽命產(chǎn)生偏不安全的評(píng)估。因此，需建立考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行及損傷后性能退化的海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞損傷評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行及損傷后性能退化的海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞損傷評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)方法及其應(yīng)用。所述方法能夠考慮服役狀態(tài)下海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)的運(yùn)行作用，及腐蝕疲勞損傷后材料力學(xué)性能退化的影響。本發(fā)明既可用于對(duì)既有海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞損傷評(píng)估與剩余壽命預(yù)測(cè)，也可為存在腐蝕疲勞問題的海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

2、本發(fā)明提供了一種考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行及損傷后性能退化的海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞損傷評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)方法。所述方法包括：

3、(a)根據(jù)海上風(fēng)電服役地點(diǎn)及風(fēng)機(jī)信息外荷載參數(shù)，生成時(shí)長(zhǎng)為dt的風(fēng)場(chǎng)，并在openfast軟件中建立海上風(fēng)電模型；

4、(b)基于openfast計(jì)算風(fēng)-波流-結(jié)構(gòu)-風(fēng)機(jī)運(yùn)行耦合作用下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)在dt1時(shí)間內(nèi)的響應(yīng)，提取塔筒頂部位移及力邊界條件；

5、(c)在abaqus中建立結(jié)構(gòu)精細(xì)化有限元模型，在塔筒頂部輸入步驟(b)中提取的邊界條件，計(jì)算海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)dt1時(shí)間內(nèi)應(yīng)力分布；

6、(d)根據(jù)自然大氣腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式，建立所評(píng)估鋼結(jié)構(gòu)鋼材在其服役環(huán)境下，自然大氣腐蝕程度發(fā)展函數(shù)規(guī)律w(t)；根據(jù)腐蝕后高周疲勞試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式，基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)，建立不同腐蝕程度下鋼材非線性損傷演化模型，標(biāo)定各腐蝕程度下?lián)p傷演化模型參數(shù)c,β，并建立其與腐蝕程度的函數(shù)關(guān)系c(w),β(w)；

7、(e)根據(jù)應(yīng)力分布特征識(shí)別疲勞易損位置，提取此處應(yīng)力時(shí)程，并結(jié)合雨流計(jì)數(shù)法與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計(jì)算dt1時(shí)間內(nèi)腐蝕疲勞損傷ds1，根據(jù)已計(jì)算時(shí)間及腐蝕發(fā)展模型確定結(jié)構(gòu)各區(qū)域構(gòu)件腐蝕程度w；

8、(f)根據(jù)腐蝕疲勞損傷dt、腐蝕程度wt分布情況及腐蝕疲勞損傷后材料性能退化模型調(diào)整openfast中材料參數(shù)，并重新計(jì)算服役狀態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)；

9、(g)重復(fù)(a)～(e)直至腐蝕疲勞損傷dt＝1，結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕疲勞破壞，此時(shí)總服役時(shí)間t為該結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境下考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行及損傷后性能退化的腐蝕疲勞壽命。

10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(a)中，根據(jù)海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)服役地點(diǎn)確定波流及風(fēng)場(chǎng)特征；

11、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，步驟(a)中，風(fēng)場(chǎng)既可參考iea規(guī)范中相關(guān)要求生成時(shí)長(zhǎng)為dt的風(fēng)場(chǎng)，也可通過風(fēng)機(jī)服役地點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得；

12、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(a)中，根據(jù)所評(píng)估海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)幾何尺寸在openfast中建立模型，并施加前述根據(jù)海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)服役地點(diǎn)確定的波流及時(shí)長(zhǎng)為dt的風(fēng)場(chǎng)；

13、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(a)中，根據(jù)所評(píng)估結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)參數(shù)，在openfast軟件中設(shè)置風(fēng)機(jī)重量、重心位置、額定發(fā)電功率及運(yùn)行狀態(tài)控制系統(tǒng)參數(shù)；

14、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(b)中，基于openfast計(jì)算風(fēng)-波流-結(jié)構(gòu)-風(fēng)機(jī)運(yùn)行耦合作用下海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)在dt時(shí)間內(nèi)的響應(yīng)，提取塔筒頂部位移及力邊界條件時(shí)程曲線l1；

15、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(c)中，在abaqus有限元軟件中建立無上部風(fēng)機(jī)的海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)精細(xì)化有限元模型，通過在塔筒頂部輸入步驟(b)中獲得的邊界條件時(shí)程曲線考慮服役過程中上部結(jié)構(gòu)對(duì)塔頂作用，實(shí)現(xiàn)在精細(xì)化有限元分析中對(duì)風(fēng)-波流-風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響的考慮；

16、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(c)中，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，獲取海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖；

17、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(d)中，根據(jù)自然大氣腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式，建立所評(píng)估鋼結(jié)構(gòu)鋼材在其服役環(huán)境下，自然大氣腐蝕程度發(fā)展函數(shù)規(guī)律w(t)；

18、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(d)中，通過自然腐蝕、周期浸潤(rùn)、鹽霧、通電腐蝕等方式獲取不同腐蝕程度鋼材試件，對(duì)不同腐蝕程度鋼材試件開展高周疲勞試驗(yàn)，根據(jù)高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)建立不同腐蝕程度下鋼材非線性損傷演化模型，標(biāo)定各腐蝕程度下?lián)p傷演化模型參數(shù)c(w),β(w)，當(dāng)無法開展腐蝕后鋼材試件疲勞性能試驗(yàn)時(shí)，可通過已有研究數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式獲取各腐蝕程度下?lián)p傷演化模型參數(shù)c(w),β(w)；

19、其中，c(w),β(w)通過腐蝕程度w的鋼材疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)由式(1)得到：

20、

21、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(e)中，結(jié)合構(gòu)造類別與應(yīng)力分布情況，確定疲勞易損位置，提取此處應(yīng)力時(shí)程，通過雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)獲取應(yīng)力幅序列s1；

22、單次荷載循環(huán)產(chǎn)生的疲勞損傷增量由式(2)計(jì)算得到，其中smax，smin為s1中各應(yīng)力幅最大應(yīng)力與最小應(yīng)力，n為各應(yīng)力幅對(duì)應(yīng)的次數(shù)：

23、

24、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(e)中，計(jì)算服役dt1時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力幅序列產(chǎn)生疲勞損傷ds1，計(jì)算一年內(nèi)包含dt1數(shù)量n，計(jì)算一年內(nèi)損傷dd1＝n·ds1,重復(fù)此過程并累積計(jì)算總疲勞損傷dt＝∑ddi、總服役時(shí)長(zhǎng)t＝∑dti及腐蝕程度wt；

25、其中

26、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(f)中，結(jié)根據(jù)腐蝕疲勞損傷后鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式，確定鋼材力學(xué)性能隨疲勞損傷程度d及腐蝕程度w演化規(guī)律，包括彈性模量e(d,w)，屈服強(qiáng)度fy(d,w)，極限強(qiáng)度fu(d,w)；

27、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(f)中，結(jié)根據(jù)dt及wt確定確定總服役時(shí)長(zhǎng)t時(shí)鋼材力學(xué)性能，并在openfast軟件中相應(yīng)調(diào)整材料參數(shù)；

28、根據(jù)一種具體實(shí)施方式，所述步驟(g)中，結(jié)重復(fù)步驟(a)～(e)，獲取li，dsi，ddi，及總損傷dt，當(dāng)dt＝1時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕疲勞破壞，此時(shí)總服役時(shí)間t為該結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境下考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行及損傷后性能退化的腐蝕疲勞壽命；

29、本發(fā)明技術(shù)方案具有包括下述有益效果：所述方法考慮了服役狀態(tài)風(fēng)-波流-結(jié)構(gòu)及風(fēng)機(jī)運(yùn)行作用下海上風(fēng)電導(dǎo)管架荷載時(shí)程，結(jié)合精細(xì)化有限元模型分析，實(shí)現(xiàn)了腐蝕疲勞損傷位置識(shí)別與損傷計(jì)算，結(jié)合損傷后材料性能退化模型，考慮了服役期間材料損傷后性能退化影響，實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)；所述方法既可用于既有海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的剩余腐蝕疲勞壽命評(píng)估，也可用于新建海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞壽命設(shè)計(jì)。