文 献 综 述

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1 风电行业发展现状

全世界的风能资源无穷无尽，而且产量丰富。由于风速是一个随机性很强的量，其资源潜力必须通过长时间的观察和测量从而得知，并且计算出平均的风的功率密度才能得出结果。另外目前的观测技术有限，全球范围内的风能资源无法测得。但是根据气象局的估测，全球的风能资源是水能资源的十倍，按照80米高度处6.9米/秒的风速计算，全球的可利用风能资源约为72万亿千瓦时。预计到2020年，只需要成功利用1/3的风能资源就能满足全世界的电力需求。[1]

在所有的能源中，风电是发展最快的。在过去的十年里，全球风电的平均增长率一直保持在百分之29左右。到2016年为止，风电装机超过了94000MW，从各个国家来看，德国，美国和西班牙的装机数量占据全区域前三。德国23.6％，美国17.9％，西班牙16.1％。到2007年底，已经有十个国家装机容量达到了2000MW。装机容量排名前十的国家如表1所示。

根据我国的风电发展规划，早2020年为止，我国的装机容量要要达到3000万kW。但是截至2015年底，我国锋利装机总容量还不到130万kW，占中国电力装机总容量的0.17％，远远低于发达国家10％的水平。[2]因此国家在风电行业的工作任重道远。

表 1 2016年装机容量前十的国家

1.1.2 风力机简介

风车/风力机(wind machine)是一种将风能转化成机械能的动力装置，传统的风力机称为风车。其发明和应用也有着悠久的历史。风力机的种类包括螺旋桨风力机，荷兰式风力机，帆翼式风力机风力机，以及涡轮式风力机等等[3]。风力机从总体组成上的重要部件有风轮，机舱，塔架。较大型的风力机，其机架下大上小，称之为塔架，是组成风力机的重要部分。风力机的工作原理是叶片在受到气流的作用下产生力矩，驱动风轮转动，再通过轮毂将扭矩传送到主传动系统，这就是将风能转化成了机械能，之后在通过发电机以及变频器等组成发电系统，最终将机械能转化成了电能。[4]

1.1.3 风力机塔架简介

塔架是风力机的主要承受力的结构，它不仅要承受整个机组的重量，而且还要承受风轮旋转过程中所产生的各种载荷及机组重心偏移引起的偏心力矩，风速梯度载荷等。因此对于机架的设计总是上小下大。[5]陆上的风力机塔架所承受的交变载荷主要源自于风直接作用于塔架的气动载荷，风作用于风轮然后传递到塔架的载荷和风轮运转过程中产生的震动。因此有限元已经成为搭架设计的必要工具。早期设计的风力机对疲劳重视不够，导致了疲劳失效频发，例如美国加州风电场的风力机就曾经发生过多起疲劳失效的事故。[6]

为了保证风力机的搭架有良好的刚度并且总体质量要轻，以及运输方便的要求，现代大型风力机组通常采用锥桶式搭架。这种形式的搭架一般由若干段长度不等的锥筒用法兰连接而成，搭架有底向上直接逐渐变小，整体成圆台形。[7]这种变截面变厚度的结构使得各段的惯性矩以及线质量和抗弯刚度等参数都不一样。因此，搭架的有限元分析建模很复杂。

1.2 风力机塔架疲劳寿命分析的意义

风力机塔架是风力发电机中的关键部件，也是技术的重点和难点。其可靠的质量是保证风力机正常平稳运行的决定性因素。风力机由于其运行的环境恶劣，并且要保证20年的正常使用寿命需要塔架具有以下要求：非常高的疲劳强度和良好的性能，能经受得住随机载荷和暴风等极端恶劣条件的考验。[9]塔架在规定的外部条件，设计工作和载荷情况下稳定的支撑风轮和机舱（包括发电机和传动系统），这样可以保证风力发电机组安全正常运行。其次通过计算分析或者实验确定塔架的固有频率和阻尼特性，并对塔架进行风轮旋转引起的震动，风引起的顺风向振动和横风向振动进行计算分析，使其在规定的设计工况下满足稳定性和变性限制要求。最后通过塔架设计，材料选择和防护措施可以减小其外部条件对塔架安全性和完整性。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究风力机塔架的现状

美国以及欧洲诸如德国，瑞典，丹麦以及荷兰等国在风力机技术的发展和应用中起步较早，在技术上处于领先地位，对于塔架疲劳的相关问题的分析也进行了大量的探讨。

IEC61400-13是IEC系列标准中涉及风力发电的载荷测试部分的标准，主要是针对水平轴大型风力发电的标准描述。这个标准提供了风力机载荷测试的方法和有关技术，可以作为测试指南过程验证或直接确定结构载荷。

文献[10]考虑了非周期载荷和随机载荷的组合，采用功率谱表达疲劳载荷。文献[11]主要考虑确定性载荷，采用简单的方法计算气动力，重力以及陀螺力。文献[12]用时域方法处理随机疲劳载荷。塔架疲劳载荷谱可由计算得到，也可以由测试方法得到。如国外的Wisper载荷谱，模拟了塔架的应力载荷，是在测量了欧洲9个不同类型风力机载荷基础上得到的。该谱已用于风力机塔架材料和结构细节评估，疲劳寿命预测。文献[8]是对恶劣环境下风力机行为和载荷的研究，其中评估了塔架底部关键区域的应力分析，并对周期性载荷变量进行研究。文献 [13] 利用Sway Company提供的寿命评估程序Simapro，模拟风力机系统。

目前，针对风力机疲劳分析已进行了大量的研究[14]，但有关复合材料的应力损伤并不多见，而且技术也不够成熟。例如Taleja的食量损伤模拟。文献[15]指出Miner线性累积损伤法则适用于金属疲劳失效模型。尽管如此，大多数文献任然采用Miner线性累积损伤法进行寿命预测。

1.3.2国内研究风力机塔架的现状

由于国内风力发电起步较晚，目前还没有正常的运行超过20年的较大型的风力机。因此缺乏现场实测数据，这也给风力机塔架的疲劳寿命分析带来了一定的困难。我国目前还没有大型的风力机塔架的实测疲劳载荷谱，可以根据额定情况来推测疲劳载荷普，方法简单。

文献[16]对风力机塔架实用的玻璃钢材料的疲劳特性进行了分析研究，采用规范推荐的简化疲劳载荷谱，采用了Apple和Besquin两种S-N曲线关系式分析叶片上的疲劳问题，并通过分析指出，由于Apple公式在材料的长寿命区递减较大，材料的疲劳强度很低，不适合塔架高循环次数低应力载荷谱的特点，而规范推荐的Besquin所使用的S-N曲线是较为合理。

文献[17]利用ANSYS有限元分析软件，对2MW复合材料风力机塔架结构进行有限元建模，以及静力学和模态分析。文献[18]从风力机的疲劳载荷寿命要求出发对风力机疲劳问题进行了分析。确定了风力机疲劳分析的方法和步骤，然后由疲劳载荷谱计算塔架的疲劳寿命。文献[19]基于DASP软件的疲劳分析方法，利用复合材料应力循环特性对结构承受的交变载荷进行统计分析，然后进行损伤度的计算寿命估计。

1.4 本论文所做的工作

风力机搭架疲劳寿命分析可通过疲劳试验和疲劳计算两种方法，疲劳试验的方法在风力机搭架的国家标准做出明确的规定，由于疲劳试验需要对全尺寸的风力机搭架进行程序普或幅谱载荷的加载，实验结束之后，对试件进行分解检查和端口分析，因受实验条件的限制，无法进行。本论文选取计算方法进行搭架疲劳分析。

参考文献：

[1]迟远英，张少杰，李京问.国内外风力发电现状化.党政界_决策参考,2017,3(1)：1-10.

[2]余建辉，周浩.我国风电开发的现状及展望.风电技术,2007,15(1)：534-539.

[3]易颖琦，陆敬严.古代立轴式大风车的考证复原.农业考古,2014,6(1)：1-13.

[4]杨瑞，李景龙，李丹丹等.基于MATLAB的垂直轴风力机仿真研究.四川理工学院学报(自然科学版),2014,6(1)：23-28

[5]刘胜阳，李德元，黄小华.风波联合作用下的风力机塔架疲劳特性分析.太阳能学报,2009,30（10）：1430-1436.

[6]伊洪峰，魏剑.结构疲劳寿命分析.国防工业出版社,2010,80（3）：30-36.

[7]范红军，王建峰，金家坤.风力机塔架基础环疲劳强度分析.太阳能学报,2015(3): 56-61.

[8]GUO Y,Parker.Effect of monopile foundation modeling on the structural response of a 5-MW offshore wind turbine tower.Volume 109,15November2015,Pages479-488

[9]徐国阳，宋曦.水平轴风力机塔架载荷谱及疲劳寿命仿真分析.甘肃科学学报.2014(1): 212-217.

[10]Sutherland H J.A summary of the fatigue properties of wind turbine materials [J].Wind Energy,2000,3(1):1-34.

[11] Jan Weinzettel,Marte Reenaas, Christian Solli，et al丄ife cycle assessment of a floating offshore wind turbine[J].Renewable Energy,2008:l-6.

[12] J.D. Sorensen, S. Frandsen，N.J. Tarp-Johansen. Effective turbulence models and fatigue reliability in wind farms[J]. Probabilistic Engineering Mechanics,2008 (23): 531-538.

[13] J. Costa, A. Turon, D. Trias et al. A progressive damage model for unidirectional fibre-reinforced composites based on fibre fragmentation.Part II: Stiffness reduction in environment sensitive[J]. Composites Science and Technology，2005 (65): 2269 - 2275.

[14] J. Payan, C. Hochard. Damage modelling of laminated carbon/epoxy composites under static and fatigue loadings[J]. International Journal of Fatigue, 2002 (24): 299-306.

[15] N.L. Post，S.W. Case, J.J. Lesko. Modeling the variable amplitude fatigue of composite materials: A review and evaluation of the state of the art for spectrum loadingfJ]. International Journal of Fatigue, 2016 (30): 2064 - 2086.

[16]李德源，叶枝全，陈严，包能胜.风力机玻璃钢叶片疲劳寿命分析.太阳能学报,2004，25(5): 592-597.

[17]张峥，陈欣.风力机疲劳问题分析[J].华北水利水电学院学报,2016，29(3):41-43.

[18]沈松，应怀樵，刘进明.利用雨流法统计进行疲劳分析和寿命估计.四川理工学院学报,2016(4): 122-126.

[19]张力，张恒，李雯.复合材料损伤与断裂力学研究.北京工商大学学报 (自然科学版),2015(1): 34-38.

文 献 综 述

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1 风电行业发展现状

全世界的风能资源无穷无尽，而且产量丰富。由于风速是一个随机性很强的量，其资源潜力必须通过长时间的观察和测量从而得知，并且计算出平均的风的功率密度才能得出结果。另外目前的观测技术有限，全球范围内的风能资源无法测得。但是根据气象局的估测，全球的风能资源是水能资源的十倍，按照80米高度处6.9米/秒的风速计算，全球的可利用风能资源约为72万亿千瓦时。预计到2020年，只需要成功利用1/3的风能资源就能满足全世界的电力需求。[1]

在所有的能源中，风电是发展最快的。在过去的十年里，全球风电的平均增长率一直保持在百分之29左右。到2016年为止，风电装机超过了94000MW，从各个国家来看，德国，美国和西班牙的装机数量占据全区域前三。德国23.6％，美国17.9％，西班牙16.1％。到2007年底，已经有十个国家装机容量达到了2000MW。装机容量排名前十的国家如表1所示。

根据我国的风电发展规划，早2020年为止，我国的装机容量要要达到3000万kW。但是截至2015年底，我国锋利装机总容量还不到130万kW，占中国电力装机总容量的0.17％，远远低于发达国家10％的水平。[2]因此国家在风电行业的工作任重道远。

表 1 2016年装机容量前十的国家