一种海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法和系统，包括以下步骤：对海上风电支撑结构的腐蚀疲劳分析过程进行分析，得到海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命；基于海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命，通过预先构建的海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测模型，得到海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测结果。本发明专利技术将海洋环境引起的循环荷载的随机性和时变性、结构腐蚀的随机性和时变性、以及腐蚀疲劳引发的结构性能退化的渐进时变过程引入分析模型，并结合概率模型，构建基于损伤容限概率模型的海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测模型，可以广泛应用于海上风电工程领域。程领域。程领域。

【技术实现步骤摘要】
一种海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法和系统


[0001]本专利技术属于海上风电工程领域，具体涉及一种基于损伤容限概率模型的海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法和系统。

技术介绍

[0002]海上风能是一种极具开采价值的绿色可再生能源，开发海上风能是应对气候变化、缓解能源短缺、实现可持续发展的最有效的能源解决方案之一。而海上风电支撑结构坐落于海洋环境中，易于遭受海洋腐蚀破坏，以及风、浪、流、海冰等恶劣环境荷载的冲击。近年来，海上风电支撑结构失效垮塌事件偶有发生，海上风电支撑结构的腐蚀疲劳失效问题也越来越引发相关工程技术人员的关注。
[0003]由于海上风电支撑结构为高耸结构，与常规海洋结构相比，由环境载荷和风机转动引起的海上风电支撑结构动态响应会更加显著，从而加速海上风电支撑结构的腐蚀疲劳损伤。腐蚀疲劳损伤是一种协同作用过程，它是电化学、材料微观结构和机械载荷相互作用的结果。腐蚀引发的腐蚀开裂是造成海洋钢结构物失效的重要因素，因此海上风电支撑结构的腐蚀疲劳分析预测对于该支撑结构的可靠性分析和疲劳寿命预测极为重要。
[0004]然而，由于海洋环境荷载是一个随时间变化的随机变量，腐蚀疲劳引发的海上风电支撑结构性能退化也是一个渐进的时变过程，因此以往那种把环境荷载、材料特性参数等视为确定性变量，用安全系数特征值来考虑系统不确定性的传统海洋工程分析方法，不能准确地对海上风电支撑结构的腐蚀疲劳做出准确的分析预测。而且，目前尚未有综合考虑工程参数随机性和时变性的海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法。
专利
技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法和系统，该方法综合考虑了循环荷载和腐蚀环境等工程参数的随机性和时变性特征，结合概率模型，构建了基于损伤容限概率模型的海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测模型，建立了相应的分析流程，能够更准确地开展海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法，包括以下步骤：
[0008]对海上风电支撑结构的腐蚀疲劳分析过程进行分析，得到海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命；
[0009]基于海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命，通过预先构建的海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测模型，得到海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测结果。
[0010]进一步，所述海上风电支撑结构的腐蚀寿命分为4个阶段：腐蚀坑成核阶段，腐蚀坑扩展阶段，小裂纹扩展阶段和长裂纹扩展阶段。
[0011]进一步，所述海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命为：
[0012][0013]式中：t
c_pn
为腐蚀坑成核时间；n为原子价；F为Faraday常数；ρ为密度；M为金属的原子量；I
P0
(k)为坑蚀电流系数；C
P
为坑蚀速率；f为应力循环频率；C
sc
和m
sc
为与材料有关的常数；k
t
为应力集中因子；Δσ为应力幅值；c0为初始蚀坑尺寸；ΔH为活化能；R为气体常数；T为绝对温度；c
th
为从小裂纹到长裂纹的过渡尺寸；c
ci
为导致裂纹成核的临界蚀坑尺寸；C
lc
和m
lc
为与材料有关的常数；c
f
为设计规定的腐蚀疲劳临界尺寸；且t
c_pn
，c0，I
P0
(k)，C
sc
，C
lc
，c
th
，m
lc
，m
sc
均为随机变量，其统计分布为对数正态分布，其分布参数由实验确定。
[0014]进一步，所述基于海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命，通过预先构建的海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测模型，得到海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测结果，包括：
[0015]基于海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命t
c_f
以及预设疲劳寿命期望值t，建立极限状态函数；
[0016]通过蒙特卡罗模拟实验法，确定海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命t
c_f
的累计概率分布CDF；
[0017]基于海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命t
c_f
的累计概率分布CDF及极限状态函数，得到t
c_f
＝t时，海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命t
c_f
的CDF值，作为预测结果。
[0018]进一步，所述极限状态函数为：
[0019][0020]式中：为由总的腐蚀疲劳寿命t
c_f
中包含的随机变量组成的向量；t为预设疲劳寿命期望值。
[0021]进一步，所述通过蒙特卡罗模拟实验法，确定海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命t
c_f
的累计概率分布CDF，包括：
[0022]进行N次蒙特卡罗模拟实验，并计算得到t
c_f
的实验样本方差估计值；
[0023]基于t
c_f
的实验样本方差估计值，确定蒙特卡罗实验样本数量N
MCS
；
[0024]将求得的蒙特卡罗实验样本数量N
MCS
与N进行比较，若N
MCS
大于N，令N＝N+1，继续做下一次实验，直至N
MCS
小于等于N，得到最终的蒙特卡罗实验样本数量；
[0025]基于确定的最终蒙特卡罗实验样本数量N
MC5
，得到腐蚀疲劳寿命函数的累计概率分布CDF。
[0026]进一步，所述基于t
c_f
的实验样本方差估计值，确定蒙特卡罗实验样本数量N
MCS
时，计算公式为：
[0027][0028]式中：ε为设定的蒙特卡洛实验的百分比误差精度值；其中，β为设定的置信度，为正态分布的反函数，通过查表得到；σ2为方差，由t
c_f
的实验样本方差估计值来估计。
[0029]第二方面，本专利技术提供一种海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测系统，包括：
[0030]腐蚀疲劳寿命函数建立模块，用于对海上风电支撑结构的腐蚀疲劳分析过程进行分析，得到海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命；
[0031]腐蚀疲劳分析预测模块，用于基于海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命，通过预先构建的海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测模型，得到海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测结果。
[0032]第三方面，本专利技术提供一种处理设备，所述处理设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现所述海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法的步骤。
[0033]第四方面，本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法，其特征在于，包括以下步骤：对海上风电支撑结构的腐蚀疲劳分析过程进行分析，得到海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命；基于海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命，通过预先构建的海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测模型，得到海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测结果。2.如权利要求1所述的一种海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法，其特征在于，所述海上风电支撑结构的腐蚀寿命分为4个阶段：腐蚀坑成核阶段，腐蚀坑扩展阶段，小裂纹扩展阶段和长裂纹扩展阶段。3.如权利要求1所述的一种海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法，其特征在于，所述海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命为：式中：t
c_pn
为腐蚀坑成核时间；n为原子价；F为Faraday常数；ρ为密度；M为金属的原子量；I
P0
(k)为坑蚀电流系数；C
p
为坑蚀速率；f为应力循环频率；C
sc
和m
sc
为与材料有关的常数；k
t
为应力集中因子；Δσ为应力幅值；c0为初始蚀坑尺寸；ΔH为活化能；R为气体常数；T为绝对温度；c
th
为从小裂纹到长裂纹的过渡尺寸；c
ci
为导致裂纹成核的临界蚀坑尺寸；C
lc
和m
lc
为与材料有关的常数；c
t
为设计规定的腐蚀疲劳临界尺寸；且t
c_pn
,c0,I
P0
(k),C
sc
,C
lc
,c
th
，m
lc
，m
sc
均为随机变量，其统计分布为对数正态分布,其分布参数由实验确定。4.如权利要求3所述的一种海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测方法，其特征在于，所述基于海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命，通过预先构建的海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测模型，得到海上风电支撑结构腐蚀疲劳分析预测结果，包括：基于海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命t
c_f
以及预设疲劳寿命期望值t，建立极限状态函数；通过蒙特卡罗模拟实验法，确定海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命t
c_f
的累计概率分布CDF；基于海上风电支撑结构失效时总的腐蚀疲劳寿命t
c_f
的累计概率分布CDF及极限状态函数，得到t

【专利技术属性】
技术研发人员：兰志刚，崔德春，郭雪飞，张一平，吴勇虎，张敏吉，熊亮，
申请(专利权)人：中海油研究总院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：