双妙等：全风向来流非高斯风场风机疲劳寿命可靠性分析 ·1459· 风速和来流风向的联合概率密度函数. 弯曲应力为压应力，则该点的均值应力为压应力， 图10是在考虑平均风速概率密度函数条件 由于Goodman准则不对均值应力是压应力的应力 下，来流风向为0°时，控制截面16个控制点，由不 过程修正，因此在应力范围相同情况下该点的疲劳 同风速区间内50条应力时程分别计算得到的疲劳 损伤小于0°点.此外，由于面外弯曲应力方向在 损伤的均值.由于0°点处的面内弯曲应力为拉应 [270°，360°]范围内与面内弯曲应力方向相同，因 力，则该点的均值应力为拉应力，根据Goodman准 此均值应力大于[0°，90]范围内相对应各点，疲 则可知该点的疲劳损伤最大.而180°点处的面内 劳损伤也相应增加. 37.5l410925 硬化过程 (a) 一高斯过程 14 ·软化过程 315.0 45.09 b) 12 ■·硬化过程 ●一高斯过程 292.59 67.5° 10 ▲一软化过程 4 /D 270.0° 90.0 6 247.5 112.5° 风 225.0° 135.0 045 90135180225270315360 202.50 180.0° 157.59 180° 角度) 图10来流风向为0°时，控制截面不同控制点(a)和其疲劳损伤(b) Fig.10 Critical points (a)and fatigue damage (b)at different points of the critical section with a wind direction of 图11是在考虑平均风速和来流风向联合概率密 引起的裂纹形成寿命的期望.结合图2可知，工程所 度函数条件下，由式(18)和式(19)计算得到的3种不 处地区主导风向为WNW,因此在292.5°处的疲劳裂 同概率特性风荷载作用下控制截面各点处由正应力S, 纹形成寿命最小 0单位： ……硬化过程 a 337.5120 22.50 一高斯过程 120 100 315.09 ·软化过程 b 0 45.0° I00 C60 292.5 40 67.5 90 30 60 270.0° 90.0° ■·硬化过程 一高斯过程 247.59 ▲·软化过程 112.5 0 225.0° 135.0 004590135180225270315360 角度() 202.50 157.5 180.0° 图11考虑平均风速和来流风向时，控制截面不同控制点处(a)和其疲劳寿命(b) Fig.11 Critical points (a)and fatigue life (b)at different points of the critical section considering the mean wind speed and wind direction 表1为三种不同概率特性风荷载作用下，292.5° 表1考虑全风向来流条件下，292.5°处的疲劳裂纹形成寿命的期 处的疲劳裂纹形成寿命的期望和标准差.由表可知， 望和标准差 与高斯风荷载相比较，硬化风荷载作用下控制点的裂 Table 1 Mean and standard deviations of the fatigue crack initiation life at a critical point of 292.5 considering a full-direction inflow 纹形成寿命增加约5a,软化风荷载作用下则减小约5 a.因此，需要考虑风荷载的非高斯性对风机结构裂纹 荷载类型 E[t]/a o[t]/a 形成寿命的影响.分析可知，对于地形复杂地区，由于 硬化过程 70.74 6.4×10-3 风场呈现非高斯性，高斯假设会过高的估计风机疲劳 高斯过程 65.42 5.8×10-3 寿命，考虑软化非高斯影响更为合理.此外，由样本引 软化过程 60.15 4.1×10-3 起的寿命标准差远小于寿命的期望，可不考虑样本不 确定性对裂纹形成寿命的影响. 4.2考虑结构参数不确定性的裂纹形成寿命 S-N曲线参数具有很强的离散性2]，设计规范中双 妙等: 全风向来流非高斯风场风机疲劳寿命可靠性分析 风速和来流风向的联合概率密度函数. 图 10 是 在 考 虑 平 均 风 速 概 率 密 度 函 数 条 件 下,来流风向为 0毅时,控制截面 16 个控制点,由不 同风速区间内 50 条应力时程分别计算得到的疲劳 损伤的均值. 由于 0毅 点处的面内弯曲应力为拉应 力,则该点的均值应力为拉应力,根据 Goodman 准 则可知该点的疲劳损伤最大. 而 180毅 点处的面内 弯曲应力为压应力,则该点的均值应力为压应力, 由于 Goodman 准则不对均值应力是压应力的应力 过程修正,因此在应力范围相同情况下该点的疲劳 损伤小于 0毅 点. 此外,由于面外弯曲应力方向在 [270毅, 360毅] 范围内与面内弯曲应力方向相同,因 此均值应力大于[ 0毅, 90毅] 范围内相对应各点,疲 劳损伤也相应增加. 图 10 来流风向为 0毅时,控制截面不同控制点(a)和其疲劳损伤(b) Fig. 10 Critical points (a) and fatigue damage (b) at different points of the critical section with a wind direction of 0毅 图 11 是在考虑平均风速和来流风向联合概率密 度函数条件下,由式(18)和式(19)计算得到的 3 种不 同概率特性风荷载作用下控制截面各点处由正应力 Sz 引起的裂纹形成寿命的期望. 结合图 2 可知,工程所 处地区主导风向为 WNW,因此在 292郾 5毅处的疲劳裂 纹形成寿命最小. 图 11 考虑平均风速和来流风向时,控制截面不同控制点处(a)和其疲劳寿命(b) Fig. 11 Critical points (a) and fatigue life (b) at different points of the critical section considering the mean wind speed and wind direction 表 1 为三种不同概率特性风荷载作用下,292郾 5毅 处的疲劳裂纹形成寿命的期望和标准差. 由表可知, 与高斯风荷载相比较,硬化风荷载作用下控制点的裂 纹形成寿命增加约 5 a,软化风荷载作用下则减小约 5 a. 因此,需要考虑风荷载的非高斯性对风机结构裂纹 形成寿命的影响. 分析可知,对于地形复杂地区,由于 风场呈现非高斯性,高斯假设会过高的估计风机疲劳 寿命,考虑软化非高斯影响更为合理. 此外,由样本引 起的寿命标准差远小于寿命的期望,可不考虑样本不 确定性对裂纹形成寿命的影响. 表 1 考虑全风向来流条件下,292郾 5毅处的疲劳裂纹形成寿命的期 望和标准差 Table 1 Mean and standard deviations of the fatigue crack initiation life at a critical point of 292郾 5毅 considering a full鄄direction inflow 荷载类型 E[t f] / a 滓[t f] / a 硬化过程 70郾 74 6郾 4 伊 10 - 3 高斯过程 65郾 42 5郾 8 伊 10 - 3 软化过程 60郾 15 4郾 1 伊 10 - 3 4郾 2 考虑结构参数不确定性的裂纹形成寿命 S鄄鄄N 曲线参数具有很强的离散性[26] ,设计规范中 ·1459·