疲劳损伤预测方法及其系统及计算机可读存储介质与流程

1.本技术实施例涉及机械传动领域，尤其涉及一种疲劳损伤预测方法及其系统及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.随着煤炭、石油等能源的逐渐枯竭，人类越来越重视可再生能源的利用。风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到世界各国的重视。伴随着风电技术的不断发展，风力发电机组在电力系统中的应用日益增加。风力发电机组是将风能转化为电能的大型设备，通常设置于风能资源丰富的地区。
3.目前的风力发电机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，风力发电机的各个部件易发生故障。主轴是风力发电机的重要组成部分主轴轴体，需要进行疲劳损伤预测。常规的疲劳损伤预测方法使用准确性较低的疲劳时序载荷进行仿真，得出的结果与实际差距较大，仿真结果差。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种疲劳损伤预测方法及其系统及计算机可读存储介质，准确性高。
5.本技术实施例的一个方面提供一种疲劳损伤预测方法，其特征在于，所述疲劳损伤预测方法包括：
6.建立所述轴体的轴体模型，确定疲劳时序载荷；
7.获得所述轴体模型的多个位置的结构刚度；
8.根据所述多个位置的结构刚度，对所述疲劳时序载荷进行修正，得到修正后的优化疲劳时序载荷；及
9.在所述轴体模型加载所述优化疲劳时序载荷，通过有限元仿真，预测得到获得所述轴体模型的疲劳损伤值。：
10.根据所述多个位置的结构刚度，确定修正系数；
11.根据所述修正系数，对所述疲劳时序载荷进行修正，得到所述优化疲劳时序载荷。
12.可选地，所述疲劳时序载荷绕所述轴体模型的中轴线旋转加载，包括多个时刻的所述疲劳载荷；
13.所述根据所述多个位置的结构刚度，确定修正系数，包括：
14.根据当前时刻所述疲劳载荷的方位角，确定所述当前时刻的第一参考位置；
15.根据所述第一参考位置的结构刚度，确定所述当前时刻的所述疲劳载荷的所述修正系数；
16.所述根据所述修正系数，对所述疲劳时序载荷进行修正，得到修正后的优化疲劳时序载荷，包括：
17.根据所述当前时刻的所述疲劳载荷的所述修正系数，对所述当前时刻的所述疲劳载荷进行修正，得到所述当前时刻修正后的优化疲劳载荷，所述优化疲劳时序载荷包括多个时刻的优化疲劳载荷。
18.可选地，所述根据所述第一参考位置的结构刚度，确定所述当前时刻的所述疲劳载荷的所述修正系数，包括：
19.根据所述当前时刻的下一时刻的所述疲劳载荷的方位角，确定第二参考位置；
20.根据所述第一参考位置和所述第二参考位置的结构刚度，确定所述当前时刻的所述疲劳载荷的所述修正系数。
21.可选地，所述获得所述轴体模型的多个位置的结构刚度，包括：
22.对所述轴体模型施加测试载荷，获取所述轴体模型上所述多个位置的测试应力；
23.所述根据所述第一参考位置和所述第二参考位置的结构刚度，确定所述当前时刻的所述疲劳载荷的所述修正系数，包括：
24.根据所述第一参考位置和所述第二参考位置的测试应力，确定所述当前时刻的所述疲劳载荷的所述修正系数。
25.可选地，所述根据所述第一参考位置和所述第二参考位置的测试应力，确定所述当前时刻的所述疲劳载荷的所述修正系数，包括：
26.确定所述第二参考位置和所述第一参考位置的测试应力之比，作为所述当前时刻的所述疲劳载荷的所述修正系数。
27.可选地，所述疲劳损伤预测方法还包括：
28.将所述轴体模型进行有限元网格划分，得到有限元网格；
29.所述根据所述当前时刻的下一时刻的所述疲劳载荷的方位角，确定第二参考位置，包括：
30.若所述第一参考位置和所述第二参考位置均在所述有限元网格的第一格之中，将与所述第一格相邻的第二格确定为新的所述第二参考位置；
31.所述根据所述第一参考位置和所述第二参考位置的结构刚度，确定所述当前时刻的所述疲劳载荷的所述修正系数，包括：
32.根据所述第一参考位置和新的所述第二参考位置的结构刚度，确定所述当前时刻的所述疲劳载荷的所述修正系数。
33.可选地，所述获得所述轴体模型的多个位置的结构刚度，包括：对所述轴体模型施加测试载荷，获取所述轴体模型上所述多个位置的测试应力；
34.根据所述多个位置的测试应力，确定所述轴体模型的多个位置的结构刚度。
35.可选地，所述疲劳时序载荷包括多个方向的疲劳时序载荷分量，所述优化疲劳时序载荷包括多个方向的优化疲劳时序载荷分量，所述根据所述多个位置的结构刚度，对所述疲劳时序载荷进行修正，得到修正后的优化疲劳时序载荷，包括：
36.根据所述多个位置的结构刚度，对所述多个疲劳时序载荷分量进行修正，得到修正后的所述多个优化疲劳时序载荷分量；
37.所述在所述轴体模型加载所述优化疲劳时序载荷，通过有限元仿真，预测得到获得所述轴体模型的疲劳损伤值，包括：
38.在所述轴体模型加载所述优化疲劳时序载荷分量，通过有限元仿真，预测得到获
得所述轴体模型的疲劳损伤值分量，所述轴体模型的疲劳损伤值为所述轴体模型的疲劳损伤值分量之和。
39.本技术实施例的另一方面提供一种疲劳损伤预测系统：包括一个或多个处理器，用于实现上述疲劳损伤预测方法。
40.本技术实施例的又一个方面还提供一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现如上所述的疲劳损伤预测方法。
41.本技术的疲劳损伤预测方法通过对主轴整体建立轴体模型，对轴体模型不同位置的刚度进行分析，对疲劳时序载荷进行修正，消除了轴体建模时轴承座对轴体的结构刚度的影响，利用修正后的优化疲劳时序载荷得到的疲劳损伤沿轴体周向均匀，符合轴体在运行中由于持续旋转而均匀磨损的实际情况，本技术的疲劳损伤预测方法准确性高。
附图说明
42.图1为本技术一实施例的疲劳损伤预测方法的流程图；
43.图2为图1所示疲劳损伤预测方法的步骤s3的具体流程图；
44.图3为图1所示疲劳损伤预测方法的修正前的疲劳时序载荷和修正后的优化时序载荷的对比图；
45.图4为图1所示疲劳损伤预测方法的修正前后的疲劳仿真结果对比图；
46.图5为本技术一个实施例的疲劳损伤预测系统的示意性框图。
具体实施方式
47.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本技术相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置的例子。
48.在本技术实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。除非另作定义，本技术实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
49.风力发电机的主轴是风电机组中的旋转部件，负责连接轮毂和齿轮箱。作为风力发电机中的重要组成部件，需对主轴进行疲劳损伤仿真来预测主轴是否合格及预测主轴的
使用寿命。本技术提供一种轴体的疲劳损伤预测方法，在一些实施例中可用于风力发电机的主轴的疲劳损伤预测，也可用于其他轴体部件的疲劳损伤预测。基于准静态分析，应用有限元方法和软件工具，在轮毂中心处加载测试载荷，进行力学分析，求解轴体应力结果，从而进行疲劳损伤仿真，预测得到疲劳损伤值，再进行安全性判断。图1为本技术一实施例的疲劳损伤预测方法的流程图。在一些实施例中，本技术的疲劳损伤预测方法包括步骤s1-步骤s4。
50.在步骤s1中，建立所述轴体的轴体模型，确定疲劳时序载荷。轴体模型依据轴体的实际形状和材料进行搭建，轴体模型包括轴体，和对轴体支承的轴承座。例如在风力发电机运行过程中，主轴不断旋转并受到随时间改变的载荷，由于本技术采用准静态分析，轴体模型在仿真过程中不旋转，可使疲劳时序载荷绕轴体模型的中轴线旋转加载。疲劳时序载荷的大小根据风机型号、风电场环境等因素得到。由于疲劳时序载荷是一个随时间不断旋转和改变大小的载荷，疲劳时序载荷包括多个时刻的疲劳载荷，且旋转一圈时每个时刻的疲劳时序载荷对应一个方位角。如此，本技术的疲劳载荷方法能适用于不同结构，不同连接方式的轴体，适用性高，且预测过程简便，预测结果准确性高。
51.风力发电机实际运行中，由于主轴作为机组运行过程中的旋转件，其沿周向环绕一周的各位置的疲劳损伤结果应该是比较接近的，不应该有明显区别。但由于本技术的疲劳损伤预测方法使用准静态分析，风力发电机的轴承座两端有时会有与机架连接的法兰，使得轴承座该位置的结构刚度明显高于其他位置。刚度为材料或结构抵抗变形的能力，在本技术中，结构刚度指的是在结构受力的状态下，某一点或某一区域抵抗变形的能力，此时若单纯依照风机型号、风电场环境等因素得到的疲劳时序载荷进行仿真，由于随此处轴承座的结构刚度突然增大导致轴体在该处不易变形从而更易磨损，此时主轴沿周向方向疲劳损伤差异较大，这明显与主轴旋转均匀磨损的事实不符。在其他实施例中，主轴也同样有因为结构刚度不同而造成主轴沿周向方向疲劳损伤差异较大的情况。对此，本技术通过对过往数据得出的疲劳时序载荷进行修正，使得疲劳损伤仿真结果接近实际损伤结构，本技术的疲劳损伤预测方法可避免由于轴体模型刚度不均匀造成轴体某一区域与沿周向环绕一周的各位置的疲劳损伤结果差异较大的情况，对主轴的真实承载能力进行客观的评估。
52.由于上述疲劳损伤的差异主要由结构刚度造成，可根据轴体模型的结构刚度，对疲劳时序载荷进行修正。在步骤s2中，获得轴体模型的多个位置的结构刚度。本技术中的轴体模型的结构刚度为包括轴体与轴承座的整体结构刚度，轴体模型的结构刚度可以通过一些参数体现，为便于对疲劳时序载荷进行修正，上述多个位置通过疲劳时序载荷的方位角确定，每个方位角对应一个位置，因此上述的多个位置在轴体模型上为沿周向关联的一圈排布。在一些实施例中，步骤s2包括：对轴体模型施加测试载荷，获取轴体模型上多个位置的测试应力，根据多个位置的测试应力，确定轴体模型的多个位置的结构刚度，多个位置的测试应力的大小可反应对应位置的结构刚度，测试应力越小，该对应位置的结构刚度越大。本技术通过获取轴体模型上多个位置的测试应力获取轴体模型周向上不同位置的结构刚度，准确性高且预测过程步骤简单。在一些实施例中为便于计算，该测试载荷为单位载荷。在一些实施例中，结构刚度也可以由材料性能和结构参数根据现有的方法推导而来，只要能反应该结构不同区域的抵抗变形的能力即可。
53.在步骤s3中，根据多个位置的结构刚度，对疲劳时序载荷进行修正，得到修正后的
优化疲劳时序载荷。由于轴体模型的结构刚度不同会造成轴体沿周向方向疲劳损伤差异较大的情况，可依据结构刚度的不同及变化趋势对疲劳时序载荷进行修正。在一些实施例中，步骤s3包括步骤s31-步骤s32。图2为图1所示疲劳损伤预测方法的步骤s3的具体流程图。
54.在步骤s31中，根据多个位置的结构刚度，确定修正系数。在步骤s32中，根据修正系数，对疲劳时序载荷进行修正，得到优化疲劳时序载荷。疲劳时序载荷是一个随时间不断旋转和改变大小的载荷，可将疲劳时序载荷划分为多个时刻的疲劳载荷，而修正后的优化疲劳时序载荷也可划分为对应时刻的优化疲劳载荷。在图示实施例中，由于疲劳时序载荷包括多个时刻的疲劳载荷，优化疲劳时序载荷包括多个时刻的优化疲劳载荷，在多个时刻上修正后的优化疲劳载荷与疲劳载荷一一对应，可通过求出二者之间的修正系数对多个时刻的疲劳载荷进行修正，该修正系数的大小只与轴体模型本身有关，不随疲劳时序载荷的改变而改变，如此本技术的修正系数可适应循环使用，在改变疲劳时序载荷的情况下依然适用，本技术的疲劳损伤预测方法适应性强。
55.在确定修正系数时，可采取不同方法，在一些实施例中，该修正系数根据结构刚度的数值不同确定，此时的步骤s31包括：根据多个位置的结构刚度，确定比例系数；根据当前时刻疲劳载荷的方位角，确定当前时刻的第一参考位置；根据第一参考位置的结构刚度，确定当前时刻的疲劳载荷的修正系数，此时的第一参考位置为步骤s2中的多个位置中，当前时刻疲劳载荷方位角所对应的一个位置。由于步骤s2中获得了轴体模型的多个位置的结构刚度，可预设一个标准数据，对多个位置的结构刚度数据围绕标准数据进行比较，得到比例系数。将当前时刻的方位角所对应的第一参考位置的结构刚度与比例系数相乘，可得到当前时刻的疲劳载荷的修正系数，如此计算简便。
56.在另一些实施例中，该修正系数根据结构刚度的变化趋势确定。此时的步骤s31包括：根据当前时刻的下一时刻的疲劳载荷的方位角，确定第二参考位置；根据第一参考位置和第二参考位置的结构刚度，确定当前时刻的疲劳载荷的修正系数。此时的第一参考位置为步骤s2中的多个位置中，当前时刻疲劳载荷的方位角所对应的位置，第二参考位置为步骤s2中的多个位置中，当前时刻的下一时刻的疲劳载荷的方位角所对应的位置。通过将第一参考位置和第二参考位置的结构刚度相比较，得出结构刚度的变化趋势，如此根据轴体模型结构刚度的变化趋势确定修正系数，准确性更高。
57.如何确定修正系数的具体数值依据结构刚度的表达方式而定，在图示实施例中，多个位置的结构刚度的表达方式为测试应力的大小，此时步骤s31则包括：根据第一参考位置和第二参考位置的测试应力，确定当前时刻的疲劳载荷的修正系数；确定第二参考位置和第一参考位置的测试应力之比，作为当前时刻的疲劳载荷的修正系数。其公式如下公式(1)：
[0058][0059]
式(1)中，m
old
为修正前的当前时刻的疲劳载荷，m
new
为修正后的当前时刻的优化疲劳载荷，当前时刻为t1，当前时刻的下一时刻为t2，σ
θ_t1
为t1时刻疲劳时序载荷所对应的方位角在轴体模型中对应位置的测试应力的值，σ
θ_t2
为t2时刻疲劳时序载荷所对应的方位角在轴体模型中对应位置的测试应力的值。
[0060]
图3为图1所示疲劳损伤预测方法的修正前的疲劳时序载荷和修正后的优化时序
载荷的对比图。请参考图3和公式1，从公式1可看出，若t2时刻疲劳时序载荷所对应的方位角在轴体模型中对应位置的测试应力的值小于t1时刻疲劳时序载荷所对应的方位角在轴体模型中对应位置的测试应力的值，则代表若t2时刻疲劳时序载荷所对应的方位角在轴体模型中对应位置的结构刚度大于t1时刻疲劳时序载荷所对应的方位角在轴体模型中对应位置的结构刚度，此时修正系数大于1，修正后的当前时刻的优化疲劳载荷的绝对值大于修正前的当前时刻的疲劳载荷的绝对值，即减小疲劳时序载荷在t1时刻所对应的方位角在轴体模型中对应位置的疲劳载荷的大小，反之亦然。图4为图1所示疲劳损伤预测方法的修正前后的疲劳仿真结果对比图，请参考图4，由于在结构刚度不变的情况下疲劳损伤值随疲劳载荷的减小而减小，减小该位置受到的疲劳载荷，能直接减小在轴体模型中结构刚度大的位置的疲劳损伤值，对原本疲劳时序载荷下因失真而偏大的疲劳时序载荷进行修正，如此修正后得出的疲劳损伤仿真值在整根轴体上数值均匀，本技术的轴体的疲劳损伤预测方法准确性高。
[0061]
在步骤s4中，在轴体模型加载优化疲劳时序载荷，通过有限元仿真，预测得到获得所述轴体模型的疲劳损伤值。该预测过程由仿真软件实现，本技术对预测过程中疲劳时序载荷与应力结果的关联，主应力的合成、雨流计数、疲劳计算等具体实施方式不做限制，通过有限元仿真，预测得到的疲劳损伤值为多个位置的疲劳损伤值。在另一些实施例中，可重复本技术的步骤s2-步骤s3，改变计算结构刚度的多个位置，从而得到其他位置的疲劳损伤值，最终完成对轴体的疲劳损伤的预测；或选取最容易发生故障的位置使用本技术的疲劳损伤预测方法进行计算，得到轴体的寿命。
[0062]
在一些实施例中，疲劳时序载荷较为复杂，可通过将疲劳时序载荷分解为多个方向的疲劳时序载荷分量，对应地，优化疲劳时序载荷包括多个方向的优化疲劳时序载荷分量。此时可对每个疲劳时序载荷分量进行修正得到优化疲劳时序载荷分量，如此计算简便。该实施例的步骤s2包括：根据多个位置的结构刚度，对多个疲劳时序载荷分量进行修正，得到修正后的多个优化疲劳时序载荷分量。步骤s4包括：在所述轴体模型加载所述优化疲劳时序载荷分量，通过有限元仿真，预测得到获得所述轴体模型的疲劳损伤值分量，所述轴体模型的疲劳损伤值为所述轴体模型的疲劳损伤值分量之和。在一些实施例中，可采用有限元软件进行疲劳损伤计算，如此本技术的疲劳损伤方正方法还包括将轴体模型进行有限元网格划分，得到有限元网格。
[0063]
由于疲劳时序载荷的频率较高，为减小有限元分析的计算量，网格划分不必依照疲劳时序载荷的频率，可适当减小，但为便于计算。主轴上的有限元网格可轴对称划分并与疲劳时序载荷的频率保持整数比例关系。在一些实施例中，频率分为1200、5400、1800三种，可将轴体模型网格沿周向划分120份。此时若第一参考位置和第二参考位置均在有限元网格的第一格之中，将与第一格相邻的第二格确定为新的第二参考位置，新的第二参考位置用于后续的步骤中。第一格为有限元网格的任一格，第二格与第一格在主轴的圆周方向上相邻。有限元网格化后的轴体模型，在得到测试应力时也依照有限元的网格进行仿真，每一格内的测试应力即结构刚度相同，当第二参考位置和第一参考位置落在同一格里需将第二参考位置确定为相邻的下一格，如此，本技术的疲劳损伤方法使得频率较快的疲劳时序载荷施加在轴体上也能较为简易地使用本技术的疲劳损伤预测方法，本技术的疲劳损伤预测方法的有限元分析提高计算效率。
[0064]
本技术的疲劳损伤预测方法通过对轴体建立轴体模型，对轴体模型不同位置的刚度进行分析，对疲劳时序载荷进行修正，消除了轴体建模时轴承座对轴体的结构刚度的影响，请参考图4，利用修正后的优化疲劳时序载荷得到的疲劳损伤沿轴体周向均匀，符合轴体在运行中由于持续旋转而均匀磨损的实际情况，本技术的疲劳损伤预测方法准确性高。
[0065]
本技术实施例还提供了一种疲劳损伤预测系统200，其可应用于风力发电机。图5为本技术一个实施例的疲劳损伤预测系统200的示意性框图。如图5所示，疲劳损伤预测系统200可以包括一个或多个处理器201，用于实现上面任一实施例所述的疲劳损伤预测方法。在一些实施例中，疲劳损伤预测系统200可以包括计算机可读存储介质202，计算机可读存储介质202可以存储有可被处理器201调用的程序，可以包括非易失性存储介质。在一些实施例中，疲劳损伤预测系统200可以包括内存203和接口204。在一些实施例中，本技术实施例的疲劳损伤预测系统200还可以根据实际应用包括其他硬件。
[0066]
本技术实施例的疲劳损伤预测系统200具有与上面所述的疲劳损伤预测方法相类似的有益技术效果，故，在此不再赘述。
[0067]
本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上面任一实施例所述的疲劳损伤预测方法。
[0068]
本技术实施例可采用在一个或多个其中包含有程序代码的存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机可读存储介质的例子包括但不限于：相变存储器/阻变存储器/磁存储器/铁电存储器(pram/rram/mram/feram)等新型存储器、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
[0069]
以上对本技术实施例所提供的疲劳损伤预测方法及其系统及计算机可读存储介质进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本技术实施例的疲劳损伤预测方法及其系统及计算机可读存储介质进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的核心思想，并不用以限制本技术。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术的精神和原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本技术所附权利要求书的保护范围内。