双妙等：全风向来流非高斯风场风机疲劳寿命可靠性分析 ·1457· 70 60 60 (a 95%CI+ ( 。硬化过程 口软化过程 一高斯过程 002010 均值 40 0 0 0-0 95%CI -10 100 200 300 400500 600 20 70 标准差 (b) 60 95%CI+ 0000000 50 0 10 15 20 25 2 m·s） 0 。硬化过程 0 95%C 口软化过程 -10 一高斯过程 100 200 300 400 500 600 tis 70 峰度 60 (c) 95%C+ 0888 50 40 30 偏态 20 10 0 95%CI -1 0 100 200 300 400 500 600 10 15 20 25 tis 丛/m·s) 图5风荷载作用下面内弯曲应力时程.(a)硬化过程：(b)高斯 图63种不同概率特性风荷载作用下控制截面面内弯曲正应力 过程；(c)软化过程 的前四阶统计矩.(a)均值与标准差：(b)偏态和峰度 Fig.5 Time history of the in-plane bending stress of the critical sec- Fig.6 First four statistical moments of the in-plane bending stress of tion under a wind load:(a)hardening process;(b)Gaussian the critical section under wind loads with different probability charac- process;(c)softening process teristics:(a)mean and standard deviation;(b)skewness and kurto- sis 应力的功率谱密度(PSD).由于动力响应时程的时间 102 间隔为0.O5s,根据Nyquist抽样定理，PSD的有效频率 硬化过程 1P 高斯过程 范围为[0,10Hz].由图可知，三种不同概率特性风荷 10°F 2P 软化过程 载作用下弯曲应力的PSD基本相同. 4P 图8是3种不同概率特性风场作用下，由控制截 102 1P:0.327Hz 面面内弯曲正应力的功率谱密度计算得到的带宽系数 's 10E 2P:0.578Hz α、a,和q(式(13)).根据随机振动理论，当g≈0或 3P:1.302Hz 4P:2.915Hz α心，≈1时，应力过程是窄带过程.由图8可知，3种应 10 力过程均表现出明显的宽带特性，且带宽系数基本 10-2 10 10 10 相同. f/Hz 入 图73种不同概率特性风荷载作用下控制截面面内弯曲应力的 a=() 功率谱密度 入2 Fig.7 PSDs of the in-plane bending stress of the critical section un- a2= (oA4)迈， (13) der wind loads with different probability characteristics 9=/1- 4疲劳可靠性分析 入。A2 如图9所示为硬化、高斯和软化风荷载作用下，不 结构的使用寿命通常由疲劳裂纹形成寿命和裂纹 同风速区间内由50个应力时程得到的响应最大值. 扩展寿命两部分组成.本文在考虑全风向来流条件 结合图6和图9可知，在均值和方差近似相等的条件 下，采用线性损伤累积理论对裂纹形成寿命进行计算， 下，软化、高斯和硬化过程的最大值依次减小，且软化 并考虑由结构和荷载两方面不确定性引起的疲劳损伤 过程最大值的离散程度最大 不确定性[2a].同时，采用Paris公式计算疲劳裂纹扩展双 妙等: 全风向来流非高斯风场风机疲劳寿命可靠性分析 图 5 风荷载作用下面内弯曲应力时程. ( a)硬化过程;( b)高斯 过程;(c)软化过程 Fig. 5 Time history of the in鄄plane bending stress of the critical sec鄄 tion under a wind load: ( a ) hardening process; ( b ) Gaussian process; (c) softening process 应力的功率谱密度(PSD). 由于动力响应时程的时间 间隔为 0郾 05 s,根据 Nyquist 抽样定理,PSD 的有效频率 范围为[0, 10 Hz]. 由图可知,三种不同概率特性风荷 载作用下弯曲应力的 PSD 基本相同. 图 8 是 3 种不同概率特性风场作用下,由控制截 面面内弯曲正应力的功率谱密度计算得到的带宽系数 琢1 、琢2和 q(式(13)). 根据随机振动理论,当 q抑0 或 琢2抑1 时,应力过程是窄带过程. 由图 8 可知,3 种应 力过程均表现出明显的宽带特性,且带宽系数基本 相同. 琢1 = 姿1 (姿0姿2 ) 1 / 2 , 琢2 = 姿2 (姿0姿4 ) 1 / 2 , q = 1 - 姿 2 1 姿0姿2 ì î í ï ï ï ï ï ï ï ï . (13) 如图 9 所示为硬化、高斯和软化风荷载作用下,不 同风速区间内由 50 个应力时程得到的响应最大值. 结合图 6 和图 9 可知,在均值和方差近似相等的条件 下,软化、高斯和硬化过程的最大值依次减小,且软化 过程最大值的离散程度最大. 图 6 3 种不同概率特性风荷载作用下控制截面面内弯曲正应力 的前四阶统计矩. (a)均值与标准差; (b)偏态和峰度 Fig. 6 First four statistical moments of the in鄄plane bending stress of the critical section under wind loads with different probability charac鄄 teristics: (a)mean and standard deviation; ( b) skewness and kurto鄄 sis 图 7 3 种不同概率特性风荷载作用下控制截面面内弯曲应力的 功率谱密度 Fig. 7 PSDs of the in鄄plane bending stress of the critical section un鄄 der wind loads with different probability characteristics 4 疲劳可靠性分析 结构的使用寿命通常由疲劳裂纹形成寿命和裂纹 扩展寿命两部分组成. 本文在考虑全风向来流条件 下,采用线性损伤累积理论对裂纹形成寿命进行计算, 并考虑由结构和荷载两方面不确定性引起的疲劳损伤 不确定性[23] . 同时,采用 Paris 公式计算疲劳裂纹扩展 ·1457·