风电渗碳齿轮内部疲劳断裂可靠性研究

齿轮内部疲劳断裂作为风电渗碳齿轮典型失效形式，是限制风电齿轮箱服役性能提升的瓶颈之一。基于应力强度模糊干涉函数和齿轮材料强度退化理论，结合风电LDD载荷与Dang Van多轴疲劳准则建立渗碳齿轮内部疲劳断裂可靠度分析模型，通过与某2 MW风电齿轮失效样本进行对比验证了模型的适用性。采用因子试验设计方法分析齿轮硬度梯度和微观修形对内部疲劳断裂失效的影响，通过材料暴露系数回归方程进行望小优化设计获得主因子最佳参数匹配。研究结果表明心部硬度、齿向鼓形对内部疲劳断裂失效影响权重最大，通过优化设计将该齿轮副内部疲劳断裂可靠度由0.968 399提高至0.972 678。     

中国海上风电支撑结构一体化设计综述

对当前中国海上风电在风机、塔架与基础一体化设计领域的研究进行了回顾,从降载优化技术、结构优化技术、工程探索与应用方面探索了一体化设计的可行性,给出了在海上风电支撑结构轻量化的优化目标下可采用的一体化设计的关键技术和实施途径。研究表明,中国海上风电行业需要从提供一体化设计的前提条件、当前阶段可采用的技术、下一步的研究方向3个层次逐步落实,在海上风电走向平价上网的大背景下,业主工程师与第三方认证机构需要起到更大的推动作用。     

风力机塔架结构研究概述

塔架作为风力机结构体系的重要组成部分,起到支撑上部结构质量、承受动载荷的作用,保障了风力机的正常运行.对塔架结构研究进行总结概述,能够完善风力机结构设计理论体系.从工程实用角度出发,以风力机塔架结构的刚度、强度、稳定性以及抗疲劳性能为核心,围绕结构选型、静动态特性、屈曲特性及疲劳特性等要点问题进行综述,回顾了各领域不同研究阶段的国内外成果,同时,介绍了新型塔架结构设计、随机荷载动力分析以及非线性屈曲与疲劳特性分析等前沿热点问题的研究进展.总结了上述要点问题的研究现状,详细阐述了相关技术的原理和应用,梳理其发展脉络,并对未来研究趋势进行了展望.内容涵盖了风力机塔架结构的各主要设计指标,能够为风力机塔架设计与分析提供指导.     

振动输送机翻板故障分析及改进

振动输送机翻板容易损坏,在运动分析的基础上指出疲劳失效是造成翻板损坏的主要原因,对翻板设计中应注意的几个问题进行有益探索.     

大容量海上风电机组支撑结构一体化技术研发与应用

<正>获奖情况:2022年中国安装协会科学技术进步奖二等奖一、成果研究背景一体化设计方法(integrated Design Offshore,缩写为iDO,又称整体化设计方法),考虑风和波浪耦合作用,基于耦合载荷,对整个支撑结构进行统一设计和校核。一体化设计主要包括一体化建模、一体化载荷分析、一体化结构校核,具体将塔架和基础作为一个整体,考虑风载荷和波浪载荷耦合作用,对支撑结构进行强度、疲劳校核。海上风电机组支撑结构一体化技术见图1。     

风能发电机组结构件的失效分析与预防(续完) 第3讲轴承的失效分析与预防

轴承在风能发电机组上具有广泛的应用。对滚动轴承的结构、类型、失效形式及其失效原因做了归纳与总结,对其最常出现的疲劳磨损失效形式及机理进行了较为深入的分析与讨论。用综合检测结果和实际应用效果辩证地论述了残余奥氏体、加工精度、材料的冶金质量以及残余应力等对轴承实际使用寿命的影响。对风电机组上轴承的应用和失效特点做了介绍,以实际案例展示了风电机组上轴承的另一种比较特殊的失效形式即氢脆或氢脆疲劳,并对其产生原因做了分析与探讨。最后提出了风电机组上轴承失效的预防措施。     

关于几种风力发电塔架结构特点及应用

风电塔架是风电机组的重要组成部分，不但承载整个主机、轮毂和叶片的重量，并承受来自叶片的水平风力荷载、设备运转的动力荷载以及各种复杂的交变荷载，风电塔架的结构型式、高低对风电机组的发电效率起到重要作用，开发适合发电机组的塔架是当前风电产业发展的重要课题。     

基于钢塔架敏感性的连续倒塌分析与数值模拟

通过引入Pandey提出的敏感性指标,给出钢塔架关键杆件的识别方法。基于备用荷载路径设计法,对钢塔架结构在风荷载作用下的连续倒塌进行线弹性静力、非线性静力、线弹性动力、非线性动力等4种分析。结果表明:结构动力响应的大小取决于风荷载作用方向及关键杆件出现的位置;线弹性静力分析是偏于保守,非线性动力分析是更加精确的;建议采用非线性动力方法对钢塔架进行连续倒塌评估。通过失效杆件的等效反力卸载过程,模拟钢塔架连续倒塌的动力过程,提出了等效反力的初始持续时间t₀(考虑初始状态)和卸载时间t_p的计算方法。     

风力发电机组的台风适应性设计方法研究

设计工况决定了风电机组的外部载荷和运行环境。由于目前的风电设计标准没有考虑台风环境的影响,运行于台风地区的风电机组遭到破坏的风险增大,制造和运营成本增加。利用观测到的热带气旋数据分析了台风过程中的湍流强度、阵风特性和风向变化特性,提出了包括台风特性、台风工况、结构失效分析设计、台风控制策略和运维策略的系统性的风电机组台风适应性设计方法。文章基于上述方法,计算分析了风电机组在不同工况条件下的载荷;结果表明,采用本文方法设计的风电机组,应用于台风多发地区,具有更好的经济性和安全性。     

桁架结构系统静强度与疲劳的耦合可靠性分析

根据结构可靠性分析理论和疲劳载荷对结构造成的损伤,建立了元件静强度和疲劳耦合可靠性分析的失效判别准则,给出了元件静强度失效时所对应的当量寿命,分析了元件静强度失效和疲劳失效之间的相互影响,进而讨论了结构系统静强度和疲劳的耦合可靠性分析方法。算例表明:在不同的使用年限内,静强度失效和疲劳失效对结构系统失效的贡献是不同的;在结构系统主要失效路径中既有元件静强度失效又有元件疲劳失效;若只考虑单一因素(或静强度、或疲劳)下的可靠性分析,可能会导致结构不安全。     

基于非线性本构关系的复合材料风机叶片有限元极限分析与设计

为了研究具有三维复杂构形的复合材料风机叶片的逐次破坏过程和极限承载能力, 将复合材料细观力学非线性本构理论桥联模型与有限元软件ABAQUS通过用户子程序UGENS结合起来对风力发电机叶片结构进行极限强度分析。只需提供纤维和基体的材料性能参数、 纤维体积含量以及蒙皮和增强筋的铺层数据包括铺设角、 层厚和铺层数, 就可预报出复合材料复杂叶片结构的整体承载能力以及叶片破坏所处的位置, 为正确评估和合理设计风机叶片结构提供了一种简便有效的分析方法。以一种20kW风机叶片为例, 用此方法实现了新型复合材料叶片结构的极限分析和合理设计, 提高了叶片的强度和刚度, 有效降低了叶片的重量。本文中的方法同样适用于其它复合材料复杂结构的极限分析与强度设计。      

长周期地面运动和SSI效应对风机动力响应的影响

针对建设在软土地基上的大功率风机结构,需要同时考虑长周期地面运动和土-结构相互作用(SSI)的影响.为了全面研究长周期地面运动和SSI效应对风机塔筒结构动力响应的影响,首先基于某1.25 MW变桨距风机结构建立了包含叶片、机舱、塔筒和基础的结构整体有限元模型,并进行了模态分析.其次在世界地震记录数据库中选择了1条普通波...     

Damage tolerant design of cast components based on defects detected by 3D X-ray computed tomography

This paper presents the application of 3D X-ray computed tomography (XCT) in deterministic fatigue strength analysis of relatively large cast components and also probabilistic fatigue design of heavy-section castings. To this end, more than 100 fatigue specimens were cut from a rejected wind turbine hub casting. XCT was used to find the 3D map of defects in selected fatigue specimens. All fatigue specimens were axially tested at R = −1 at room temperature and fatigue life scatter was established. Fractography analysis of broken specimens was performed. For CT scanned specimens, the defect sizes and positions obtained by XCT, in conjunction with the (nearly homogeneous) stress distribution of the specimens were used to predict the fatigue life and also the position of the fatigue crack initiation site. The predicted fatigue life and crack initiation position for CT scanned specimens were compared with experimental results. The obtained defect distribution by XCT was used in a random defect analysis to establish the scatter of fatigue life for the analyzed specimens. The predicted fatigue life scatter was compared with experimental results. The comparison showed that random defect analysis can successfully predict the scatter of fatigue life and may be used to find the probability of failure of cast components, based on the given defect distribution.     

Lightweight structure design for wind energy by integrating nanostructured materials

Wind power develops very fast nowadays with high expectation. Although at the mean time, the use of taller towers, however, smacks head-on into the issue of transportability. The engineering base and computational tools have to be developed to match machine size and volume. Consequently the research on the light weight structures of tower is carrying out in the main countries which are actively developing wind energy. This paper reports a new design scheme of light weight structure for wind turbine tower. This design scheme is based on the integration of the nanostructured materials produced by the Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT) process. The objective of this study is to accomplish the weight reduction by optimizing the wall thickness of the tapered tubular structure. The basic methods include the identification of the critical zones and the distribution of the high strength materials according to different necessities. The equivalent strength or stiffness design method and the high strength material properties after SMAT process are combined together. Bending and buckling are two main kinds of static loads concerned in consideration. The study results reveal that there is still enough margin for weight reduction in the traditional wind turbine tower design.     

基于塔架-叶片耦合模型风力机全机风振疲劳分析

以某5 MW特大型风力机为例,提出了风力机全机结构风振疲劳的时域分析方法。采用谐波合成法和改进的叶素-动量理论产生了风力机运营状态的气动载荷,对风力机塔架-叶片耦合结构进行了非线性风振时域分析。基于时程结果并结合线性累积损伤理论对风力机全机关键部位的风振疲劳寿命进行了预测,该方法充分考虑了风剪切、塔影、尾流影响、塔架-叶片之间的气动和模态干扰作用、叶片旋转效应的影响。算例分析表明,该文预测方法可有效估算水平轴风力机全机结构的疲劳损伤问题,相关研究结论可为超大型风力机全机结构的疲劳寿命预测提供科学依据。     

基础存在裂缝的风机塔振动测试与分析

风机塔混凝土基础常存在开裂、不均匀沉降现象,严重时会导致塔筒倒塌。相比不均匀沉降,开裂程度特别是非表层的开裂难以直接测量,也难以准确评估其影响。对基础存在裂缝的风机塔开展振动测试与分析:首先选择一座基础出现开裂的风机塔和一座作为参考的同类型同场地的风机塔,同时开展振动测试;然后分析两座风机塔的振动特性;最后通过对比固有频率、振动强度等振动特性,发现相同测试工况下基础出现裂缝的风机塔的振动特性相比作为参考的风机塔,前三阶固有频率值虽然相差不大,但是其第3阶和第1阶的FFT幅值比远大于作为参考的风机塔;其加速度最大值在微风时与作为参考的风机塔相差不大,但是在风力较大或机舱偏航冲击工况下明显大于作为参考的风机塔。测试结果表明:塔筒加速度振动强度对基础裂缝比较敏感,而固有频率值不敏感,但是其高阶的FFT幅值对基础裂缝比较敏感。测试结果可为基于风机塔振动特性的变化快速评估基础裂缝的严重程度及分析此类型故障对风机塔运营安全的影响提供一定的参考。     

Partial Load: A Key Factor Resulting in the Failure of Gear in the Wind Turbine Gearbox

Gearbox is a critical component in the wind turbine system which can transfer wind energy into wind power to replace some fossil energy in order to reduce the environmental pollution. A 1.5-MW wind turbine gearbox failed after about 5 years of service; however, the design life of the gearbox is 20 years. In this paper, the failure mechanism of the gearbox was investigated based on standard failure analysis procedures and finite element (FE) simulation. The failure of gear could be attributed to fatigue fracture, because typical macroscopic features—beach marks and ratcheting marks—could be observed on the fracture surface. Furthermore, contact fatigue caused the formation of pits on the failed working tooth flank, even brought some microcracks. It should be emphasized that fatigue pitting mainly concentrated at the left end of the failed gear. Based on the physical, chemical analysis, and FE simulation, the failure of gear should be essentially ascribed to abnormal load rather than the material defects. Finally, based on the failure characteristics, partial load should be responsible for the failure of the gear in the wind turbine gearbox.     

基础冲刷对海上风电场塔架支撑系统动力特性的影响分析

针对海上风力机塔柱支撑结构受到土基、海洋流体的复杂作用的特点,建立三维有限元数值模型,开展不同海床冲刷深度条件下支撑系统结构的动态特性,探讨其变化规律,为海上风力机支撑系统的动力稳定设计提供科学依据。     

风力机风轮低频振动特性的实验模态研究

利用国际上先进的PULSE16.1结构振动分析系统,对4个风力机风轮进行模态测试,发现风轮在挂机状态下,低频时存在轴向窜动效应和圆盘效应两种普遍存在的振动方式。振动发生时叶根处分别伴随着往复式和回转式剪切应力,影响到风力机的安全稳定运行和寿命。同时,利用挂机实验对比证明了通常采取的风轮通过夹具安装后在平面上进行模态实验的方法,对风轮振动特性的完整和准确获得均存在一定的影响。初探性分析,轴向窜动效应的产生因主要与塔架的弹性有关;圆盘效应的产生因主要与风轮的安装方式有关。本文相关研究成果有可能为很多风力机叶片在远短于设计寿命期频繁发生疲劳损伤事故的分析提供新的思路和理论支撑。     

Finite element analysis with an improved failure criterion for composite wind turbine blades

Some interesting studies are made in this paper on the life management of a composite wind turbine blade. It presents the details of finite element modeling and validation, blade response under service loading conditions, power coefficient evaluation for the optimum design parameters of the blade configuration, development of failure envelope and fatigue life estimations. Finite element analysis results are found to be in good agreement with existing test results on a typical composite blade configuration. The failure envelope generated from the present modified failure criterion correlates well with the test results on different composite materials. The procedure adopted in this paper can be utilized for optimum design of large size composite wind turbine blades.