風力機焊縫疲勞分析簡析

 　

　　焊接結構作為當前主要結構型式之一，是風力機結構分析中常見分析項目，由于焊接接頭的固有疲勞強度較低，因此結構分析中需要重點關注。本文以塔架門框焊縫分析為例，希望起到拋磚引玉的效果，如有疑問或建議歡迎大家留言。

　　1. 術語

　　首先我們介紹下焊縫分析所涉及的常見術語，焊接接頭的組成如下圖所示：

　　另外分析過程中，我們需要明確焊縫各部分名稱的含義：

　　焊縫: 焊件經焊接后所形成的結合部分。

　　焊趾: 焊縫表面與母材的交界處。

　　焊根: 焊縫背面與母材的交界處。

　　焊腳: 角焊縫的橫截面中，從一個焊接件上的焊趾到另一個焊件表面的最小距離。

　　焊縫形狀及各部分名稱如圖2圖3所示。

　　2. 分析方法

　　IIW介紹了四種方法：

　　名義應力法NominalStress、

　　熱點應力法StructuralStress、

　　有效缺口應力EffectiveNotch Stress、

　　應力強度因子StressIntensity Factors。

　　熱點應力法適合于有限元技術的焊接結構工程分析方法，其較好解決名義應力法存在的局限性，又借助成熟的有限元軟件更具有操作性。由于熱點應力的網格不敏感確定方法的提出以及設計規(guī)范中制定了較詳細的規(guī)定使得熱點應力法更具有工程實際價值。GL2010 5.2.2.3中推薦熱點應力法用于焊縫分析，后文將從熱點應力法展開。

　　3. 熱點應力法基本原理

　　IIW熱點法里，將熱點類型分為兩種：

　　類型a:平板面上所在焊趾；

　　類型b:平板邊上所在焊趾。

　　如下圖所示：

　　3.2 熱點應力定義

　　下圖為焊趾處沿板厚方向實際非線性應力分布，可分解為薄膜應力、彎曲應力及非線性應力峰值。

　　目前熱點應力普遍定義為焊趾表面薄膜應力與彎曲應力之和。

　　3.3 外推法的引出

　　在已知焊趾處沿板厚方向應力分布函數的情況下，則熱點應力可按下式計算:

　　實際中我們是不可能使用上面公式計算熱點應力，由于幾何不連續(xù)，有限元模型中該部位為應力奇異點，導致應力分析結果對網格尺寸、單元類型等因素極為敏感。而外推法相對網格因素不敏感并且國際上不同機構通過深入的理論和試驗研究，已經總結了一系列熱點應力表面外推的處理規(guī)范，如IIW。實際工程應用上IIW法預測結果與試驗結果也較為一致。

外推法需要確定若干個參考點（通常為兩點線性外推或三點二次外推）外推出熱點應力，如下圖所示

　　3.4 熱點法分析方法細化

　　IIW所建議的熱點應力外推法

　　備注：w =垂直板厚+2*焊腳長度，如下圖所示：

　　4.門框焊縫實例分析

　　以門框焊縫為例，首先建立門框處有限元模型，模型如下圖所示：

　　焊縫附近網格如下圖所示

　　對于門框焊縫分析，建模過程中，門框焊縫附近細化網格，我們采用網格尺寸為0.2t,其中t為塔壁厚度。厚度方向為2層，如下圖所示

　　建模時考慮焊縫輪廓：外推至焊趾處

　　建模時沒有考慮焊縫輪廓（推薦方法，降低建模復雜度）：外推至幾何交點

　　門框焊縫分析所需疲勞載荷

由于計算載荷-應力轉化系數時采用的坐標系為塔底坐標系，而塔筒門段為非軸對稱結構并且載荷計算時未考慮實際門框的位置因此需要考慮塔筒門的不同開口方向。故考慮塔筒門在不同方向下，載荷相對塔底坐標系Z軸旋轉多個角度，分別計算各個角度下的載荷時間歷程產生的焊縫損傷。

　　計算流程如下：

　　5. 計算軟件

　　由于載荷數據龐大、計算節(jié)點多導致疲勞計算工作量大，需要借助高性能軟件提升計算效率。我們通過采用公司自主開發(fā)的疲勞分析軟件SLife和塔架設計軟件STower，快速完成門框焊縫建模、轉化系數計算、疲勞分析一系列操作，即使是3百多個時間歷程曲線文件，也能快速得到門框焊縫在不同載荷方向下疲勞損傷。