3 載荷譜的獲取
從風場獲取的隨機載荷譜(如圖2)很不規(guī)律,且對于疲勞分析來說有很多可以刪除的無效數(shù)據(jù),必須要對其進行統(tǒng)計處理;比如用雨流計數(shù)法做統(tǒng)計處理,提取出不同幅值,不同平均應力的循環(huán);得到應力幅值和均值后,選擇合適的修正方法、疲勞理論、估算方法、和S—N曲線
進行疲勞壽命計算。
3.1 計數(shù)方法對比
將在風電場所測得的隨機的、不規(guī)則的載荷時間歷程曲線或者數(shù)據(jù)表轉化為一系列循環(huán)的計數(shù)的方法很多,有峰值計數(shù)法、變程計數(shù)法和雨流計數(shù)法等等。
峰值計數(shù)法對所有峰值的數(shù)目進行統(tǒng)計計數(shù),這種方法夸大了載荷對零件的損傷程度,設計結果會比較保守,不利于節(jié)約成本;變程計數(shù)法(振幅計數(shù)法)考慮了影響零件壽命的振幅因素,但忽略了載荷的靜態(tài)分量。
在波形計數(shù)的各種統(tǒng)計法中,被國際上廣泛用于疲勞強度設計的是雨流計數(shù)法,它被認為最符合材料的疲勞損傷規(guī)律[2]。這種方法把整個載荷——時間歷程中出現(xiàn)的應力幅范圍劃分為若干個等差的應力幅級別,然后統(tǒng)計出各級應力幅級別內(nèi)所出現(xiàn)的循環(huán)次數(shù),從而得到載荷——頻次曲線等各種形式的載荷的統(tǒng)計結果。
對于雨流計數(shù)法,在很多有關疲勞分析的文獻中都會有所敘述,但是很多都是照搬原話,對于初步學習載荷譜的技術人員來說,經(jīng)常看得是模棱兩可,一知半解。本文在查閱了諸多文獻和論文之后,總結了理解雨流計數(shù)法的步驟,清晰易懂。
3.2 雨流計數(shù)法
取得隨機的時間載荷歷程曲線(舉例說明,如圖3)之后:
①將曲線順時針旋轉90°,把波峰、波谷想象成一系列房檐,讓雨水在上面流動,根據(jù)雨流跡線來確定載荷循環(huán);
②雨水起流原則:雨水依次在每個峰值或谷值的內(nèi)側(相對圖3而言)或者上方(相對圖4而言)沿著斜率方向流下,如圖4所示:第一個雨流從1的內(nèi)側(上方)開始,第二個雨流從峰2的內(nèi)側(上方)開始,也就是說雨水在屋檐之上流起;
③雨流停止原則Ⅰ:凡是起流于波谷的雨流遇到比它更小的谷值(代數(shù)值)便停止,凡是起流于波峰谷的雨流遇到比它更大的峰值(代數(shù)值)便停止,如圖中的始于波谷1的雨流止于7,而始于波峰2的雨流止于止于6;雨流停止原則Ⅱ:雨流凡是遇到上層房檐留下的雨時就停止,如圖中始于波谷5的雨流止于2′,始于波峰4的雨流止于3′,始于波峰8的雨流止于7′,始于波谷13的雨流止于10′;
④根據(jù)上面得到的雨流的起點和終點,凡構成一個閉合的雨流跡線的形成一個全循環(huán),取出所有的全循環(huán),并記錄它們的峰值或谷值。
⑤以上進行的是雨流計數(shù)的第一階段,得到的結果是一個按照雨流計數(shù)法無法繼續(xù)計數(shù)的發(fā)散—收斂波,如圖
5,要繼續(xù)進行計數(shù),就需要把此波改造成使之能使用雨流計數(shù)原則的收斂—發(fā)散波,并取出剩余的全循環(huán),這就是雨流計數(shù)的第二個階段。
⑥雨流計數(shù)法的全部計數(shù)結果,等于這兩個階段計數(shù)之和[3]。
3.3 計數(shù)程序化
根據(jù)雨流計數(shù)原理, 可以編制計算機程序完成隨機載荷時間歷程的統(tǒng)計,繼而得到載荷譜。目前運用比較廣泛的是bladed軟件,當然這只是該軟件的一項功能。
對于做疲勞壽命分析的技術人員而言,可以運用模塊化的軟件完成載荷譜的獲取;但是對于做載荷譜分析和研究的人員來講,深刻理解并完全掌握雨流計數(shù)是非常必要的。