风力机焊缝疲劳分析简析

 　

　　焊接结构作为当前主要结构型式之一，是风力机结构分析中常见分析项目，由于焊接接头的固有疲劳强度较低，因此结构分析中需要重点关注。本文以塔架门框焊缝分析为例，希望起到抛砖引玉的效果，如有疑问或建议欢迎大家留言。

　　1. 术语

　　首先我们介绍下焊缝分析所涉及的常见术语，焊接接头的组成如下图所示：

　　另外分析过程中，我们需要明确焊缝各部分名称的含义：

　　焊缝: 焊件经焊接后所形成的结合部分。

　　焊趾: 焊缝表面与母材的交界处。

　　焊根: 焊缝背面与母材的交界处。

　　焊脚: 角焊缝的横截面中，从一个焊接件上的焊趾到另一个焊件表面的最小距离。

　　焊缝形状及各部分名称如图2图3所示。

　　2. 分析方法

　　IIW介绍了四种方法：

　　名义应力法NominalStress、

　　热点应力法StructuralStress、

　　有效缺口应力EffectiveNotch Stress、

　　应力强度因子StressIntensity Factors。

　　热点应力法适合于有限元技术的焊接结构工程分析方法，其较好解决名义应力法存在的局限性，又借助成熟的有限元软件更具有操作性。由于热点应力的网格不敏感确定方法的提出以及设计规范中制定了较详细的规定使得热点应力法更具有工程实际价值。GL2010 5.2.2.3中推荐热点应力法用于焊缝分析，后文将从热点应力法展开。

　　3. 热点应力法基本原理

　　IIW热点法里，将热点类型分为两种：

　　类型a:平板面上所在焊趾；

　　类型b:平板边上所在焊趾。

　　如下图所示：

　　3.2 热点应力定义

　　下图为焊趾处沿板厚方向实际非线性应力分布，可分解为薄膜应力、弯曲应力及非线性应力峰值。

　　目前热点应力普遍定义为焊趾表面薄膜应力与弯曲应力之和。

　　3.3 外推法的引出

　　在已知焊趾处沿板厚方向应力分布函数的情况下，则热点应力可按下式计算:

　　实际中我们是不可能使用上面公式计算热点应力，由于几何不连续，有限元模型中该部位为应力奇异点，导致应力分析结果对网格尺寸、单元类型等因素极为敏感。而外推法相对网格因素不敏感并且国际上不同机构通过深入的理论和试验研究，已经总结了一系列热点应力表面外推的处理规范，如IIW。实际工程应用上IIW法预测结果与试验结果也较为一致。

外推法需要确定若干个参考点（通常为两点线性外推或三点二次外推）外推出热点应力，如下图所示

　　3.4 热点法分析方法细化

　　IIW所建议的热点应力外推法

　　备注：w =垂直板厚+2*焊脚长度，如下图所示：

　　4.门框焊缝实例分析

　　以门框焊缝为例，首先建立门框处有限元模型，模型如下图所示：

　　焊缝附近网格如下图所示

　　对于门框焊缝分析，建模过程中，门框焊缝附近细化网格，我们采用网格尺寸为0.2t,其中t为塔壁厚度。厚度方向为2层，如下图所示

　　建模时考虑焊缝轮廓：外推至焊趾处

　　建模时没有考虑焊缝轮廓（推荐方法，降低建模复杂度）：外推至几何交点

　　门框焊缝分析所需疲劳载荷

由于计算载荷-应力转化系数时采用的坐标系为塔底坐标系，而塔筒门段为非轴对称结构并且载荷计算时未考虑实际门框的位置因此需要考虑塔筒门的不同开口方向。故考虑塔筒门在不同方向下，载荷相对塔底坐标系Z轴旋转多个角度，分别计算各个角度下的载荷时间历程产生的焊缝损伤。

　　计算流程如下：

　　5. 计算软件

　　由于载荷数据庞大、计算节点多导致疲劳计算工作量大，需要借助高性能软件提升计算效率。我们通过采用公司自主开发的疲劳分析软件SLife和塔架设计软件STower，快速完成门框焊缝建模、转化系数计算、疲劳分析一系列操作，即使是3百多个时间历程曲线文件，也能快速得到门框焊缝在不同载荷方向下疲劳损伤。