一种风力发电高塔系统的可靠度分析方法技术方案

一种风力发电高塔系统的可靠度分析方法，其包括以下步骤：选取风力发电高塔的外部荷载随机参数；选取或生成与随机参数对应的外部荷载；在ＡＮＳＹＳ系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型；将外部荷载输入ＡＮＳＹＳ模型中进行动力响应分析；利用等价极值原理算出系统的可靠度。本发明专利技术的方法对于整体结构的设计能更精细，在保证结构安全稳定的前提下，成本将会大大降低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于结构工程领域，特别涉及一种基于等价极值事件的风力发电高塔结构 安全可靠度分析。
技术介绍
海上风力发电高塔的外部环境是十分复杂的，受到风、地震和海浪的作用。而风力 发电机也有自己的运行状态，有其失效模式。在不同运行状态的时候，受到不同外部激励时 所产生反应是不同的。例如，有的情况是由强度控制，而有的情况又由疲劳极限限制。由于 风力发电机的运行状态和外部受力的复杂性，两者具有随机耦合特性，造成了相关设计规 范中的诸多工况。抗风动力可靠度是指结构在风荷载作用下满足规定功能要求的概率。在过去40 年中，基于首次跨越失效机制，发展了泊松过程法、马尔可夫法、FPK方程法、数值模拟法、随 机有限元法、Volterra级数法等一系列方法研究结构动力可靠度问题。最早，用于风力发 电高塔设计的可靠度方法是FMEA，故障树法和环境风险评估法。综合了上述各种方法，在 1995年发展了安全可靠度评估方法，对风力发电高塔进行安全评估。此后在上世纪90年 代，对桨叶的可靠度设计方法进行了一系列研究。在IEC 61400-1规范中运用并进一步细 化了基于可靠度的分项系数法。2003年，利用环境参数法来对风力发电高塔系统的风场进 行建模。与传统的用数值方法计算所得的外部荷载相比，此处包含了外部环境更全面的信 肩、ο上述几种方法都是在结构系统为线性、因而叠加原理可以应用的前提之下的。而 当结构系统为非线性时，要进行频域分析就必须首先对结构进行线性化处理，这必然导致 无法精确真实地反映结构动力特性。当前风力发电高塔系统设计方法多基于各部件的设 计，没有基于结构整体可靠性的设计方法，并且对于整体结构的非线性及荷载的随机性不 能准确反映。并且由于外部荷载的随机性，造成了用已有的分析方法不能对风力发电高塔 的可靠度进行客观的评价。终上所述，有必要考虑荷载的随机性和结构的非线性，确定荷载的随机参数，对风 力发电高塔进行整体有限元建模，得出较为可靠的可靠度分析结果，从而为实际的工程设 计提供可靠的计算和分析依据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，有效可靠地解 决了外部荷载随机性的问题，且利用等价极值事件原理计算出系统的可靠度。为达到以上目的，本专利技术所采用的解决方案是，其包括以下步骤选取风力发电高塔的外部荷载随机参数(随机参数根据选取的荷载模型选取)；选取或生成与随机参数对应的外部荷载；在ANSYS系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型；将外部荷载输入ANSYS模型中进行动力响应分析；利用等价极值原理算出系统的可靠度。具体包括选取风力发电高塔的外部荷载随机参数；选取或生成η条风速时程作为随机参数对应的外部荷载，并且确定每条时程的概 率；在ANSYS系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型，具体是包括桨叶、转子、机 舱和塔体在内的系统“一体化”模型；将选取的风速时程输入ANSYS模型中进行动力响应分析，计算得到对应的η条响 应时程；将每条响应时程的最大值提取出来，利用等价极值原理算出系统的可靠度。利用Fourier谱，设其相位角服从W，2 π ]的均勻分布，对于不同的随机变量，对 其进行Fourier逆变换，以生成一组随机风速时程。本专利技术的风力发电高塔系统的可靠度分析方法，确定随机风场的随机参数，建立 系统的有限元模型；能将生成的η条随机风速时程输入有限元软件中，加载到系统模型上 进行动力时程分析；选取每一条响应时程的最大值，构成一个随机虚拟函数；将构成的随 机虚拟函数代入概率密度演化方程中，求出系统的可靠度。由于采用了上述方案，本专利技术具有以下特点综合考虑了各类荷载的影响，可以得出外部复杂荷载条件下风机的响应。基于概 率密度演化理论，风、海浪和地震等外部荷载作用的随机性得到充分的考虑，结构整体及局 部响应的概率分布及演化也可以清晰直观的表达。在此基础上，对于整体结构的设计能更 精细，在保证结构安全稳定的前提下，成本将会大大降低。附图说明图1是所生成的某一条风速时程曲线示意图。图2是在ANSYS中建立的有限元模型示意图。图3是稳定性指标极值累积概率分布示意图。图4是稳定性指标极值概率密度函数示意图。图5是塔顶位移极值累积概率分布示意图。图6是塔顶位移极值概率密度函数示意图。具体实施例方式为了对本专利技术作进一步的描述，下述实施例中所涉及到的风力发电高塔的结构材 料参数是权利要求1.，其特征在于其包括以下步骤 选取风力发电高塔的外部荷载随机参数；选取或生成与随机参数对应的外部荷载； 在ANSYS系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型； 将外部荷载输入ANSYS模型中进行动力响应分析； 利用等价极值原理算出系统的可靠度。2.如权利要求1所述的风力发电高塔系统的可靠度分析方法，其特征在于具体包括选取风力发电高塔的外部荷载随机参数；选取或生成η条风速时程作为随机参数对应的外部荷载，并且确定每条时程的概率； 在ANSYS系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型，具体是包括桨叶、转子、机舱和 塔体在内的系统“一体化”模型；将选取的风速时程输入ANSYS模型中进行动力响应分析，计算得到对应的η条响应时程；将每条响应时程的最大值提取出来，利用等价极值原理算出系统的可靠度。3.如权利要求2所述的风力发电高塔系统的可靠度分析方法，其特征在于利用 Fourier谱，设其相位角服从W，2 π ]的均勻分布，对于不同的随机变量，对其进行Fourier 逆变换，以生成一组随机风速时程。全文摘要，其包括以下步骤选取风力发电高塔的外部荷载随机参数；选取或生成与随机参数对应的外部荷载；在ANSYS系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型；将外部荷载输入ANSYS模型中进行动力响应分析；利用等价极值原理算出系统的可靠度。本专利技术的方法对于整体结构的设计能更精细，在保证结构安全稳定的前提下，成本将会大大降低。文档编号G06F17/50GK102004829SQ20101054637公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日专利技术者周勇, 徐亚洲, 李 杰, 贺广零, 陈建兵, 黄凯 申请人:同济大学 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力发电高塔系统的可靠度分析方法，其特征在于：其包括以下步骤：选取风力发电高塔的外部荷载随机参数；选取或生成与随机参数对应的外部荷载；在ＡＮＳＹＳ系统中建立风力发电高塔系统的壳单元模型；将外部荷载输入ＡＮＳＹＳ模型中进行动力响应分析；利用等价极值原理算出系统的可靠度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李杰，贺广零，陈建兵，周勇，黄凯，徐亚洲，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]