2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)極限限制狀態(tài)分析

2.3.1 設(shè)計(jì)方法

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定局部安全系數(shù)分析方法為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)構(gòu)架的分析方法。局部安全系數(shù)分析方法取決于荷載和材料的不確定性和易變性、分析方法的不確定性以及失效零件的重要性。

（1）局部安全系數(shù)。為保證荷載與材料的安全設(shè)計(jì)值，荷載與材料的不確定性和易變性可用下列公式確定的荷載局部安全系數(shù)與材料局部安全系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，即

式中 Fd——荷載的設(shè)計(jì)值；

γf——荷載局部安全系數(shù)；

Fk——荷載的特征值。

式中 fd——材料特性設(shè)計(jì)值；

γm——材料局部安全系數(shù)；

fk——材料性能特征值。

（2）重要失效局部安全系數(shù)γn與構(gòu)件分類。引入重要失效局部安全系數(shù)γn，以便進(jìn)行區(qū)分構(gòu)件分類。一類構(gòu)件安全系數(shù)用于失效—安全結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)件的失效不會(huì)引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要零件的失效，如被監(jiān)測的可替換軸承；二類構(gòu)件安全系數(shù)用于非失效—安全結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)件的失效會(huì)迅速引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要零件的失效；三類構(gòu)件安全系數(shù)用于非失效—安全機(jī)械結(jié)構(gòu)件，連接驅(qū)動(dòng)和剎車到主要結(jié)構(gòu)部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組非冗余保護(hù)功能。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組極限限制狀態(tài)的分析，應(yīng)按四種相應(yīng)的分析類型進(jìn)行，即極限強(qiáng)度分析、疲勞損傷分析、穩(wěn)定性分析和臨界撓度分析（葉片與塔架機(jī)械干擾等）。每種分析都要求用不同的極限狀態(tài)函數(shù)表示，并用局部安全系數(shù)來考慮各種不確定性。

（3）材料標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)完整性，可采用我國或國際的相應(yīng)材料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 極限強(qiáng)度分析

極限狀態(tài)函數(shù)可分成荷載函數(shù)S和抗力函數(shù)R，不超出最大極限狀態(tài)的計(jì)算公式為

極限強(qiáng)度分析用的荷載函數(shù)S為結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最大值。結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)R是材料抗力容許的最大設(shè)計(jì)值，故R（fd）=fd。當(dāng)同時(shí)作用多個(gè)荷載時(shí)，計(jì)算公式為

為了對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行評定，應(yīng)用各種荷載情況進(jìn)行極限強(qiáng)度分析。

（1）荷載局部安全系數(shù)。根據(jù)規(guī)定的正常和非正常設(shè)計(jì)工況，荷載局部安全系數(shù)應(yīng)取表2-1中的規(guī)定值。

（2）無通用設(shè)計(jì)規(guī)范的材料局部安全系數(shù)。材料局部安全系數(shù)應(yīng)根據(jù)充分有效的材料性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。考慮到材料強(qiáng)度的固有可變性。當(dāng)使用95%存活率及95%置信度的典型材料性能時(shí)，所用材料的材料局部安全系數(shù)γm應(yīng)不小于1.1。該系數(shù)用于有延性的構(gòu)件，且這些構(gòu)件的失效會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要構(gòu)件失效。

（3）重要失效局部安全系數(shù)。對于各構(gòu)件，按其在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中重要程度分類，重要性越大，其重要失效局部安全系數(shù)越大，一類構(gòu)件γn=0.9；二類構(gòu)件γn=1.0，三類構(gòu)件γn=1.3。

2.3.3 疲勞損傷分析

疲勞損傷可通過適當(dāng)疲勞損傷容限計(jì)算來估計(jì)。根據(jù)麥納（Miner）準(zhǔn)則，累積損傷超過1時(shí)，達(dá)到極限狀態(tài)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的壽命期內(nèi)，累積損傷應(yīng)不大于1。

式中 ni——荷載特性譜i區(qū)段中疲勞循環(huán)次數(shù)，包括所有荷載情況；

Si——i區(qū)段中與循環(huán)次數(shù)相對應(yīng)的應(yīng)力（或應(yīng)變）水平，包括平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的影響；

N（·）——至零件失效的循環(huán)次數(shù)，它是應(yīng)力（或應(yīng)變）函數(shù)的變量（即S—N特性曲線）；

γm——材料局部安全系數(shù)；

γn——重要失效局部安全系數(shù)；

γf——荷載局部安全系數(shù)。

（1）荷載局部安全系數(shù)。正常和非正常設(shè)計(jì)工況荷載局部安全系數(shù)γf=1.0。

（2）無通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的材料局部安全系數(shù)。如S—N曲線存活率為50%，而變異系數(shù)小于15%，則材料局部安全系數(shù)γm≥1.5；對于大變異系數(shù)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，即變異系數(shù)為15%～20%（如合成物制成的構(gòu)件，例如鋼筋混凝土或合成纖維），局部安全系數(shù)γm必須相應(yīng)地增大，應(yīng)有γm≥1.7。

對于焊接和結(jié)構(gòu)鋼，傳統(tǒng)上使用存活率為97.7%的S—N曲線，可取γm=1.1；在進(jìn)行定期檢查可能發(fā)現(xiàn)臨界裂紋擴(kuò)展的情況下，可使用γm的較低值；在所有情況下，應(yīng)γm＞0.9; S—N曲線應(yīng)基于95%存活率和95%的置信度，這種情況下取γm=1.2。對于其他材料也可使用同樣的方法。

（3）重要失效局部安全系數(shù)。一類構(gòu)件γn=1.0，二類構(gòu)件γn=1.15，三類構(gòu)件γn=1.3。

2.3.4 穩(wěn)定性分析

在設(shè)計(jì)荷載下，非失效—安全承載零部件不允許屈曲失穩(wěn)，而其他零部件允許產(chǎn)生彈性變形。在特征荷載作用下，任何構(gòu)件不允許屈曲失穩(wěn)。

荷載局部安全系數(shù)γf的最小值應(yīng)根據(jù)表2-1選取。

2.3.5 臨界撓度分析

對于設(shè)計(jì)或極限荷載情況，應(yīng)使用特征荷載確定不利方向上的最大彈性變形，并將計(jì)算結(jié)果乘以荷載局部安全系數(shù)、材料局部安全系數(shù)和重要失效局部安全系數(shù)。

荷載局部安全系數(shù)γf由表2-1選取；彈性材料局部安全系數(shù)γm=1.1，但當(dāng)彈性材料特性是由實(shí)尺寸試驗(yàn)確定時(shí)，γm可減少到1.0。應(yīng)特別注意幾何形狀的不確定性和撓度計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

重要失效局部安全系數(shù)：一類構(gòu)件γn=1.0，二類構(gòu)件γn=1.0，三類構(gòu)件γn=1.3。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其零部件的極限限制狀態(tài)和使用限制狀態(tài)進(jìn)行下列分析：①極限強(qiáng)度；②疲勞；③穩(wěn)定性；④變形限制；⑤動(dòng)力學(xué)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件的強(qiáng)度分析可以采用應(yīng)力法，疲勞分析可采用簡化疲勞驗(yàn)證法和循環(huán)荷載譜的損傷累積法，變形限制分析一般采用傳統(tǒng)的方法。當(dāng)應(yīng)力、變形和動(dòng)力性都不能正確確定時(shí)，可以采用有限元等數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算或其他相應(yīng)的計(jì)算方法。