风电专场 | IIW疲劳设计规范在风电行业的案例实操
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导读：2020仿真知识周收官之战（第10期直播），7月17日（今晚20时）我们将邀请仿真秀专栏作者，拥有11年风电行业焊接结构设计经验的焊接结构设计老罗公开直播-焊接结构疲劳设计最具权威性、代表性和科学性的国际焊接学会经典之作-IIW疲劳设计规范在风电行业的应用。预计超过3000人观看（进群可申请视频免费回看和资料下载）以下是正文：据统计，焊接结构80%以上为疲劳失效。疲劳失效轻则造成经济损失，重则造成人身伤亡。疲劳问题对于焊接结构产品设计来说，无疑是需要考虑的最为关键的一点。焊接结构疲劳不同于其他结构产品的疲劳问题，由于焊缝结构及工艺的复杂性，造成焊接接头疲劳性能和应力水平的确定非常复杂。IIW疲劳设计规范是国际焊接学会发布的关于焊接结构疲劳设计最具权威性、代表性和科学性的经典之作。
IIW疲劳设计规范的计算方法和流程，可广泛应用于风电、水电、核电、轨道交通、汽车、工程机械、压力容器、钢结构、船舶等各制造行业的焊接结构产品设计。不同于其他相关规范，如EC1993，ARR等，只能应用于某个行业���IIW规范的适用范围更广，通用性更强。IIW疲劳设计规范几乎包含了目前所有疲劳分析的科学方法，如名义应力法，热点应力法，缺口应力法等。包含了80余种焊接接头的疲劳性能试验数据，几乎能涵盖常见的接头类型。从疲劳原理，计算方法，结构评估，寿命修正、质量保证措施等系统阐述了疲劳设计的相关知识点。焊接结构应力和寿命分析方法，有大量的试验数据作为支撑。对焊缝结构应力的确定方法有明确的说明和指导，操作性强。IIW疲劳设计规范系统介绍了焊接结构的疲劳设计计算方法，其主要流程包含5大步骤：
1）外载响应；
2）结构属性；
3）修正；
4）安全考虑；
由于风电塔架是多节圆筒组成的结构，结构相对比较简单。容易得到其对接环焊缝上的载荷及名义应力，因此可采用IIW规范的名义应力法进行计算。环焊缝上的等效疲劳载荷一般为等效弯矩Meq及力载荷Feq。其等效疲劳名义应力则为：σnom = Feq/A Meq /W。根据焊缝形式，依据IIW 规范可以选择其对应的疲劳强度等级FAT，并经过修正及安全系数考虑，可以得到设计S-N曲线。采用Miners累计损伤方法，结合S-N曲线可以计算出，环焊缝的等效疲劳寿命和疲劳损伤。疲劳损伤小于0.5即认为焊缝疲劳安全。三、IIW疲劳设计规范在风力发电机支架上的应用案例风力发电机由机舱、叶轮和发电机组成。发电机支架作为支撑结构，一般采用焊接结构形式。本文以发电机转子支架为例，进行焊缝疲劳计算分析。叶轮中心载荷会通过轴传递给发电机上，其中扭矩载荷Mx会作用到转子支架上。扭矩载荷在不同的工况下其时间序列载荷都可以通过雨流计数法转换为载荷谱。由于风力发电机支架结构相对复杂，无法得到其支架焊缝上的载荷及名义应力，因此可采用IIW规范的热点应力法进行计算。通过施加单位扭矩载荷，可以通过有限元得到焊缝上的单位应力（热点应力）。通过载荷谱和单位应力的叠加，可以得到焊缝上的应力谱。根据焊缝形式，依据IIW 规范可以选择其对应的疲劳强度等级FAT，并经过修正及安全系数考虑，可以得到设计S-N曲线。采用Miners累计损伤方法，结合S-N曲线可以计算出，环焊缝的等效疲劳寿命和疲劳损伤。疲劳损伤小于0.5即认为焊缝疲���安全。
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作者：焊接结构设计老罗，仿真秀专栏作者
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