雨流计数法在风力发电机组疲劳寿命计算中的应用
利用雨流法进行疲劳分析和寿命估算
利用雨流法统计进行疲劳分析和寿命估计沈松 应怀樵 刘进明 (东方振动和噪声技术研究所,北京,100085) 摘要:对于长期承受交变载荷的机器设备,除了振动和强度外,疲劳也是导致其损坏的常见原因之一.因此进 摘要 行有效的疲劳分析和寿命估计,是保障设备安全运转的重要手段之一.本文介绍了基于 DASP 软件的疲劳分析方法, 利用符合材料应力循环特性的雨流法对结构承受的交变载荷进行统计分析,然后进行损伤度的计算和寿命估计. 关键词:雨流法;疲劳分析;寿命估计 关键词 Abstract: For the machine worked with lasting alternate loads, the fatigue is the familiar reason of damage, besides the vibration and strength. So the effective fatigue analysis and life estimate is the important method to ensure that the machine can work safely. The fatigue analysis method base on the software named DASP is introduced in this paper. First the alternate loads statistics is done by rain flow method that is accord with the stress cycle characteristic of material, and then the damage degree is calculated. Key Words: rain flow method; fatigue analysis; life estimate1 引言实际生产中许多设备在正常工作状态下需要承受循环交变载荷,这种循环载荷在性质上既不同 于静态载荷,也不同于振动载荷,但同时也具有两种载荷的某些特征.它常常具有低速重载的特点, 一方面是循环受力,另一方面又具有很低的循环频率和较大的载荷.承担装卸任务的港口机械,需 要左右倾倒的热轧设备等结构都长期处于循环交变载荷的作用下. 对于这种情形,即使设备具有足够的静态强度,并且不会产生共振,但却会在长期的循环受力 过程中出现疲劳损伤,导致设备的损坏.为防止结构发生疲劳损坏,了解设备疲劳状态,则需要对 其进行疲劳测试分析,并进行寿命估计,保证设备的正常安全运行,并对设备的维修和故障诊断提 供依据. 如何对这些设备进行疲劳分析,以及如何保证分析的准确性是本文主要讨论问题.基于 DASP 系统的有关模块软件,结合此类问题各个环节的主要特征,文中总结了从疲劳测试,应力统计,损 伤度计算到寿命估计的完整方案.2 疲劳测试疲劳测试是直接通过测量获取设备承受载荷的数据.测量的物理量选择动态应变和应力,符合 低速重载的特征. 测点的选择需要结合实际结构特点和受力情况,在结构的关键部位和应力集中部位布置测点, 然后让设备处于工作状态或者模拟实际工况作业,记录各测点的动应变数据,并转换为应力数据. 测量设备可包括电阻应变片,动态应变仪和 INV303/306 型信号采集分析仪,对结构所受应变和 应力进行测试和数据记录,然后进入 DASP 软件进行分析.3 雨流法进行应力统计应力幅的大小直接关系到结构的损伤度计算,因此需要对测量的数据进行统计,以便得到不同大小应力幅的出现概率.然后结合各应力幅对应的损伤度和各应力幅的出现概率,得到结构的总损 伤度. 波形计数通常有几十种方法,常用的方法包括峰值计数法,变程计数法和雨流计数法,各方法 具有各自的特点,也有不同的适用范围.DASP 软件中包含上述三种常用计数方法,现分别进行比 较和讨论. 峰值计数法对载荷波形中落在各载荷等级中的所有峰值(波峰和波谷)的数目进行统计计数. 这种方法记录了载荷波动的信息,但夸大了实际载荷时间历程中小载荷波动的幅值,即夸大了载荷 对机件的损伤程度,因此偏于保守. 变程计数法(振幅计数法) ,则只计及载荷时间历程中波峰和波谷之间的距离,而不考虑该振程 距零载荷的距离,它考虑了影响机件寿命的主要因素-振幅,但是忽略了载荷的静态分量. 雨流计数法也叫塔顶计数法,其主要特点是根据研究材料的应力-应变过程进行计数,统计载 荷波形中的循环和半循环. 雨流法计数方法如图 1: (1)雨流的起点依次从每个峰值的内侧边开始,波形左半 部为内侧边; (2)雨点在下一个峰值落下,直到对面有一个比开始时的 峰值更大的峰值为止,也就是说比开始时的最大值更大的值或 者比最小值更小的值为止; (3)当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨时,也就停止; (4)按以上过程取出所有全循环,并记下各自的变程; (5)再按正负斜率去除所有半循环,并记下各自的变程; (6)把取出的半循环按修正的"变程对"计数法配成全循 环. 图 1 雨流计数方法示意 应注意的是,应变-时间记录的每一部分只计而且仅计数 一次.一个基本假设是一个大的幅值所引起的损伤并不受夹在 大循环中的小幅值循环所引起应力应变回线而截断的影响. 根据以上比较可见,对于交变载荷下的应力波形,最合理的统计方法为雨流计数法.图 2 为使 用 DASP 软件对某港机设备的疲劳应力波形进行雨流法统计的结果,图中上面的波形为实测应力波 形,下面的直方图为雨流统计结果,横坐标为应力循环幅度,纵轴为对数方式,该直方图完整地给 出了不同大小的应力循环的发生次数和概率.图 2 实测应力波形和雨流统计结果4 损伤度计算和寿命估计得到了结构所受应力的结果后,就可以对其疲劳寿命和损伤度进行计算.疲劳寿命一般可以通 过 S-N 曲线进行计算,S 为应力幅大小,N 为对应的疲劳寿命,即承受 N 次大小为 S 的循环应力作 用后将会导致结构损伤. S-N 曲线与结构的焊接或螺栓连接形式有关,不同的连接形式会有不同的计算结果.此外 S-N 曲线是基于统计分析的, 因此计算中还需要指定可信度因子, 通常可选取可靠度因子为 2, 对应 97.7% 的可信度. S-N 曲线的计算公式如下:log N = log C 0 d / σ m log S r(1)C d 其中: r 为应变幅, 0 是与材料及连接形式有关的常量,σ 为 logN 的标准差, 为可靠度因子, S m 为 log Sr 对 log N 的反斜率. 在 DASP 软件的雨流计数模块中,有两种计算损伤度的入口:拟合统计的损伤度计算和实际统 计的损伤度计算,分别适合以下两种情形: a) 拟合统计的损伤度计算.对于许多情况下,不同大小应力幅的出现概率符合正态分布,若实 际疲劳测试次数较少,统计结果可能不能完全反映真实情形,则可以对雨流统计结果进行拟合计算, 得到较为接近真实的统计概率分布,再进行损伤度计算. b) 实际统计的损伤度计算.有些设备由于长期承受一个或几个幅度较为固定的载荷,使得实际 应力幅并不符合正态分布或其它分布的规律,此时就需要使用实际的统计结果进行损伤度计算,而 不能对统计结果进行拟合计算,否则会影响这些固定载荷对应损伤度在总损伤度中的主导地位. 最后结合各应力幅的大小和出现概率,就可以计算得到对应的损伤度,采用线性累计理论,求 其总和便得到结构的总损伤度,以估算其寿命. 图 2 中的波形明显具有大小约为 50MPa 的重要应力幅存在, 从其雨流统计直方图中也直观反映 了这个特征,因此需要使用实际统计的疲劳计算结果.图 3 为实际统计计算结果,可见其中大小为 50MPa 的应力幅出现 10 次, 出现概率为 0.025%, 对应损伤度 5.8528E-8, 在总损伤度中占主导地位. 若使用拟合统计计算,如图 4,则拟合后的概率仅为 0.001%,对应损伤度仅为 1.4583E-9,未对总损 伤度起主要作用,显然不能符合实际情况.图 3 实际统计的疲劳统计表图 4 拟合统计的疲劳统计表5 结束语对于长期承受交变重载的设备,除了静强度和振动的考虑外,疲劳测试和分析也是准确掌握设 备运行健康状态的重要手段.DASP 中提供的雨流计数分析模块和疲劳统计分析功能,则正好可以 作为此类疲劳测试分析的工具,为设备的使用和维修提供有价值的重要决策依据. 参考文献 [1] 应怀樵. 波形和频谱分析与随机数据处理. 北京:中国铁道出版社, 1985, 89～105. [2] 北京东方振动和噪声技术研究所. DASP 操作使用说明书. 北京, 2005, VOL.1-1 : 39～43.。
对“雨流计数法”介绍
对“雨流计数法”介绍雨流计数法（Rainflow counting method）是一种用于疲劳寿命预测和疲劳损伤分析的统计方法。
它通过对载荷历程数据进行处理，识别出载荷的循环次数、振幅和平均值，并统计不同振幅下的循环次数。
雨流计数法广泛应用于许多领域，如机械、航空航天、汽车工程、桥梁工程和风力发电等。
在这篇文章中，将详细介绍雨流计数法的原理、应用和计算过程。
1.雨流计数法的原理和背景疲劳是材料或结构在反复加载下逐渐发生的累积损伤。
在实际工程中，由于载荷的不断变化，对结构的疲劳寿命进行预测和分析是非常重要的。
雨流计数法是一种基于峰谷循环的疲劳分析方法，它通过将载荷历程数据进行循环切分和统计得出结构的振幅、平均值等参数，从而得到结构的疲劳损伤。
2.雨流计数法的应用领域雨流计数法被广泛应用于各个领域，如机械工程、航空航天工程、汽车工程和桥梁工程等。
在机械工程领域，雨流计数法用于预测零件的疲劳寿命，从而指导设计和维护；在航空航天工程中，雨流计数法用于分析航空器部件的疲劳损伤，评估其可靠性和安全性；在汽车工程领域，雨流计数法用于评估引擎和变速器等零部件的疲劳性能；在桥梁工程领域，雨流计数法用于分析桥梁结构的疲劳寿命，指导维护和修复工作。
3.雨流计数法的计算过程雨流计数法的计算过程可以分为循环切分和计数两个步骤。
下面将介绍每个步骤的具体操作。
3.1循环切分循环切分是将载荷历程数据切分成许多不同的循环，即找到载荷历程中的峰谷点。
切分规则如下：（1）初始点：选择载荷历程的起点作为初始点。
（2）峰值点：从初始点开始，寻找下一个大于初始点载荷的点作为峰值点。
（3）谷值点：从峰值点开始，寻找下一个小于峰值点载荷的点作为谷值点。
（4）循环结束点：从谷值点开始，寻找下一个大于谷值点载荷的点作为循环结束点。
（5）将以上得到的峰谷点作为一个循环，将循环次数、振幅和平均值记录下来。
3.2循环计数循环计数是统计不同振幅下的循环次数。
雨流计数法在风力发电机组疲劳寿命计算中的应用
雨流计数法在风力发电机组疲劳寿命计算中的应用摘要：本文围绕疲劳寿命计算和雨流计数法展开，详细介绍了对雨流计数原理的理解步骤，对疲劳寿命计算流程做了一个整体的概括，本文旨在讲述雨流计数法统计全循环的步骤。
风电材料设备关键词：雨流计数法风力发电机组疲劳寿命中国1 引文众所周知，风力发电在我国取得了长足的发展和进步。
但是，目前我国还没有完善的技术标准和认证体系。
风电产品的质量是风电设备制造企业的生命线，而建立标准和开展产品检测认证则是保障风电设备质量的有效手段。
因此，我国急需健全、完善和提高风电技术标准和检测认证体系，为风电设备的质量提供保障和监督。
由此可见，建立我国自主的风电机组评价体系和产品的认证机构就显得尤为重要。
建立这些除了需要必要的财力物力之外，还必须要有大批量的掌握结构设计、载荷评估、寿命计算、热力学、振动学等知识的技术人员。
2 疲劳寿命计算结构设计计算或者评估一般要进行极限强度计算、疲劳寿命计算、振动分析、热平衡计算等。
本文主要围绕疲劳寿命计算叙述，根据所进行的分析以及所必须的已知条件，可以把疲劳寿命计算的步骤归纳为以下流程图[1]。
疲劳寿命计算根据载荷谱不同可分为三种情况：恒幅载荷作用下的疲劳寿命计算可以直接利用S-N曲线；变幅载荷下的疲劳寿命计算可以运用MINER理论进行等效计算；随机载荷是个比较复杂的情况，首先要将其转化为恒幅或者变幅载荷谱，然后再进行计算。
疲劳寿命计算的一般方法是：①首先获取相关零件的材料性能、几何形状、加工工艺、装配过程和加载历程等信息，应用有限元结构分析技术（静强度分析）来判断可能发生破坏的位置（即危险点）；然后利用软件后处理来确定在施载荷条件下的局部应力——应变响应；②获取工作载荷谱：对于复杂的加载历程（主要指随机载荷历程），可用循环计数法对载荷进行分析、处理，得出统计规律。
③最后结合零件或材料寿命曲线以及载荷谱进行疲劳寿命分析，以获得疲劳寿命的预计值。
对照分析得到的预计值和设计要求值确定是否修改设计。
对“雨流计数法”介绍
雨流计数法简介0、前言机械的疲劳失效是机械失效的主要失效方式,因此对机械失效的主要研究是机械疲劳失效. 目前, 机械疲劳失效的研究有两个方面: 一是根据求出的载荷谱来确定加载程序在试验室或者试验台上对机械进行疲劳试验, 得出机械(材料)在该工况下的实际寿命; 二是根据机械(材料)的特性与载荷谱并且用Miner 准则来估计机械的疲劳寿命. 无论是做疲劳试验还是估计疲劳寿命, 载荷谱的统计都是问题的关键[1]。
1、雨流计数法简介雨流计数法又可称为“塔顶法”,是由英国的Matsuiski和Endo 两位工程师提出的, 距今已有50 多年。
雨流计数法主要用于工程界, 特别在疲劳寿命计算中运用非常广泛。
由来请参看图1, 把应变-时间历程数据记录转过90°,时间坐标轴竖直向下, 数据记录犹如一系列屋面, 雨水顺着屋面往下流, 故称为雨流计数法[2]。
雨流计数法的基本原理[3]如图1所示, 第一个雨流自0点处第一个谷的内侧流下, 从1点落1’后流至5, 然后下落。
第二个雨流从峰1点内侧流至2点落下, 由于1点的峰值低于5点的峰值,故停止。
第三个雨流自谷2点的内侧流到3, 自3点落下至3’ , 流到1’处碰上上面屋顶流下的雨流而停止。
如此下去, 可以得到如下的计数循环块:3-4-3’、1-2-1’、6-7- 6’、8-9- 8’、11-12-11、13-14-13’和12-15-12’。
雨流计数的基本流程如下。
(1) 根据采样定理作数据采集，得到时间历程记录，若截止频率为f c，则采样间隔Δt≤1/ 2f c(2) 根据连续的3个采样数据，删除既不是峰值也不是谷值的数据点，将时间历程记录转化为峰谷值序列。
(3) 针对峰谷值序列采用4点法雨流计数原则进行雨流计数，计数条件如下。
①如果A>B；B≥D；C≤A，记录一个循环 (全波) BCB′，如图 2 所示。
得到范围值S range＝|B -C|幅值S a＝|B -C|/ 2平均值S m＝(B +C)/ 2②如果A <B；B≤D；C≥A，记录一个循环(全波) BCB′，如图 3 所示。
风力发电机组高速轴联轴器的疲劳寿命评估方法
风力发电机组高速轴联轴器的疲劳寿命评估方法摘要：本文基于风力发电机组传动链的疲劳载荷谱，应用雨流计数法建立了风力发电机组高速轴联轴器的二维疲劳载荷谱，并采用经典Miner线性疲劳累计损伤理论，提出了一种适用于风力发电机组高速轴联轴器的疲劳寿命评估方法，对于风力发电机组其他机械零部件疲劳寿命评估方法的研究亦具有工程指导价值。
关键词：风力发电机组高速轴联轴器疲劳载荷谱雨流计数法累计损伤疲劳寿命评估前言目前我国风力发电机组的技术路线主要有三种，双馈风力发电机组，直驱风力发电机组及半直驱风力发电机组。
而高速轴联轴器作为双馈风力发电机组和半直驱风力发电机组传动链的主要零部件，其疲劳寿命评估方法的研究一直在业界内处于空白状态。
众所周知，在机械零部件的失效形式中，疲劳失效是一种主要的失效形式。
据不完全统计，机械零部件的疲劳失效占比高达70%以上[1]。
然而，不幸的是，风能技术作为我国的新兴发展技术，其疲劳寿命的研究正处于起步阶段，尚不成熟。
本文借助其他行业中机械零部件的疲劳寿命研究方法，结合风力发电机组高速轴联轴器的结构特点，综合应用雨流计数法和Miner线性疲劳累计损伤理论，提出了一种评估风力发电机组高速轴联轴器疲劳寿命的方法。
雨流计数法原理机械零部件在随机疲劳载荷作用下，均值和幅值也是随机变化的，而其又是影响机械零部件载荷-时间历程的统计处理方法很多，例如里程计数、峰值计数和雨流计数[2]等。
其中，由于雨流计数法在计数原理上与实际工作载荷对零部件的循环应力-应变极为相近，同时考虑了静强度（均值）和动强度（幅值）两个随机疲劳载荷的只要变量，与疲劳载荷的固有特性吻合度较高，且其计数法便于计算机实现，因而在疲劳载荷处理过程中被众多学者广泛应用。
雨流计数法的基本规则[3]为：1.雨流在试验记录的起点，依次从每个峰（或谷）的内侧开始；2.雨流在下一个峰（或谷）处落下，直到有一个比其更大的峰（或更小的谷）为止；3.当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨流时，就停止；4.取出所有的全循环，并记录下各循环的峰值（最大值）和谷值（最小值）.通过雨流计数法处理后，可以得到应力峰值Smax 和谷值Smin，由式（1）-（3）可以得到各循环应力幅值Sa ，应力均值Sm及应力比r为(1)(2)(3)式中： Sa -应力幅值；Sm-应力均值；Smax-应力峰值；Smin-应力谷值；r-应力比。
风力机塔架疲劳寿命分析
风力机塔架疲劳寿命分析摘要新生能源正在逐渐崛起，也正慢慢的影响着我们的日常生活。
其中最为瞩目和令人称道的便是风能。
风能现如今被认为是最具开发潜能和实效作用的清洁能源，其所能利用的价值不可估量。
风能，顾名思义，最主要的能源来源取自风力，通过一系列运作，达到风力发电的效果。
当然，风力发电也并非易事，基本需要诸多繁琐的流程，才能达到理想的效果。
它的塔架需要经受多种载荷，并且因为剪切风、阵风等缘故会导致振动，从而造成风力发电机组的损坏。
因而，对风力机塔架实行动静态的特质分析有着不一般的意义。
也未解决后期风力发电可能会面临的问题做足思考和准备，以备不时之需。
本文在思考某定型风力发电机组塔架结构特性和受力特质的基础上，设立了变截面筒型塔架的力学结构模型。
在结构动力学原理上，推理出了塔架顶尖水平位移、基频的计算公式和在综合考虑叶轮、机舱及塔架自重共同影响下的临界力计算公式;分析了塔架的固定参数及载荷对整机的稳固性和疲劳特质的影响作用。
并运用有限元法和ANSYS 软件对塔架实行动静态特性的模拟数值分析。
主要内容和结论如下：1.运用有限元数值模拟的结果与运用概念计算得出的结果十分相识，考证了有限元模拟的准确性。
塔架底端开门洞和在不同的风速下变桨角导致了塔架上边各部件要点的改变对塔架静强度产生了轻微的作用。
因而，我们在对风力机塔架实行力学分析和设计计算时应该从实际情况分析思虑。
2.对塔架实行振动特质和响应分析，在对几类差别模型的数值进行模拟分析，得出塔架底部机头的品质和底部根基的强度对塔架的固定频率有一定的影响。
通过对动态的响应分析，能够得出塔架在不同的频率下的回应，峰值和频率所相对结构的变形和合力；并且通过计算得出塔架在各时间的位移、速度和加速度，进而为对风力机的优化设计务实了根基。
3.对塔架实行收缩统计，充分利用 ANSYS 数值模拟分析，同期在塔筒接连处，运用实体单元对法兰盘模拟结果进行计算有很高的精确性，可以实现一般工程的运用，而且比现今工程计算更加的安全。
雨流计数法在结构疲劳损伤计算中的应用
雨流计数法在结构疲劳损伤计算中的应用作者：李彬来源：《科技视界》2015年第16期【摘要】本文针对结构疲劳损伤问题，采用雨流计数法原理运用Matlab编程工具，研究了三点雨流计数法在早结构疲劳损伤计算中的应用，编写了具体实现程序。
采用Goodman曲线得到泵车臂架的二维载荷谱，结合材料的S-N曲线与Palmgren-Miner线性累积损伤理论计算结构的疲劳损伤，可为结构的健康监测和优化设计提供依据。
【关键词】雨流计数；S-N曲线；二维载荷谱；疲劳损伤0 引言大型机械设备拥有更高的施工效率，能够适应巨型建筑施工的需要，可为施工企业创造更高的经济效益，倍受市场青睐。
然而，大型设备成本高，所受工作载荷大，载荷状态也更加复杂，一旦发生断裂失效事故将造成巨大的经济损失以及人员伤亡，因此对结构件的疲劳损伤进行计算，并对其实施健康监测显得尤为重要。
在结构的断裂事故中，疲劳断裂是最主要最危险的原因之一。
所以，本文选用结构的疲劳损伤大小作为对结构健康状态进行监测的主要参数。
在工程实际中，结构的工作载荷是随着设备的工作状况与使用环境的变化而变化的，是随机载荷。
随机载荷是一种不规则的动载荷、是随时间变化的载荷，在进行疲劳损伤分析时只能使用统计分析方法进行计算。
由于载荷幅值和载荷循环次数是使结构件产生疲劳损伤的主要原因，所以常用计数法进行计算。
计数法的种类很多，如峰值计数、雨流计数等，对于同一工况和载荷运用不同的计数方法，得到的计算结果差别可能很大。
雨流计数是根据材料的应力-应变行为进行的，它得到的载荷循环和材料的应力-应变迟滞回线相一致[1]，该方法能够准确地反映材料的疲劳损伤。
相对其它计数方法，雨流计数法更为精确，因此被广泛运用。
1 雨流计数法的基本原理[2-3]雨流计数法又被称为“塔顶法”在疲劳寿命计算中应用非常广泛。
该方法由英国的Matsuiski 和Endo两位工程师提出，他们认为材料塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，并且应力-应变循环的滞回线（如图1）是塑性性质表现的主要形式。
水平轴风电机组轮毂疲劳损伤计算方法
水平轴风电机组轮毂疲劳损伤计算方法吴树梁;于良峰;李钢强【摘要】结合有限单元法和雨流计数法,利用名义应力法开发了一种用于水平轴风电机组轮毂疲劳损伤计算的方法.以某2.0MW水平轴风电机组轮毂为算例,分析了轮毂疲劳载荷产生的原因,在计算风电机组轮毂时序疲劳载荷的基础上,通过使用有限元分析选取轮毂疲劳热点,对轮毂疲劳应力进行雨流计数统计,结合轮毂结构S-N 曲线计算了轮毂在20年运行寿命期内的疲劳损伤.计算结果表明:本文方法简便可靠,能够较准确预测风力机轮毂在运行寿命期内的疲劳损伤.【期刊名称】《风机技术》【年(卷),期】2012(000)003【总页数】5页(P62-66)【关键词】风力发电机组;有限元法;雨流计数法;名义应力法;疲劳损伤【作者】吴树梁;于良峰;李钢强【作者单位】济南轨道交通装备有限责任公司;济南轨道交通装备有限责任公司;济南轨道交通装备有限责任公司【正文语种】中文【中图分类】TK830 引言风力机可靠性研究从大范围来看可以分为两个主要内容[1]，一个是在极限载荷下的可靠性评估分析，另一个是疲劳载荷下的可靠性评估分析。
对风力机结构进行疲劳分析可以预测结构在20年寿命期内容易出现疲劳损伤的部位，有效指导零部件设计。
典型的风力发电机组在风场中运行容易受到疲劳载荷的严重影响[2]，一台600kW的风电机组风轮在20年寿命中会旋转2×108次，每旋转一周都会在低速轴和叶片上产生周期性变化的重力，以及由风剪切、偏航误差、主轴倾斜、塔影和湍流等效应导致的循环变化的叶片旋转平面外载荷。
许多风力发电机组部件的设计都取决于疲劳载荷而不是极限载荷，风力机轮毂处于风轮中心，其受力情况非常复杂，承受较大的多轴交变载荷，疲劳破坏是轮毂的主要失效形式，研究轮毂的疲劳特性在风力机设计过程中具有重要意义。
国内外对风力机疲劳方面的研究取得了较多的成果。
Herbert等对风力机材料疲劳特性进行了概括性研究[3]；Gunner对影响风力机疲劳特性的风场湍流强度进行了深入研究[4]；刘胜祥等在研究海上风力机塔架载荷数值分析的基础上，对塔架疲劳寿命进行了分析[5]；邹磊等利用ANSYS的Fatigue模块对低风速风力机轮毂进行了疲劳寿命计算[6]。
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雨流计数法在风力发电机组疲劳寿命计算中的应用
摘要：本文围绕疲劳寿命计算和雨流计数法展开，详细介绍了对雨流计数原理的理解步骤，对疲劳寿命计算流程做了一个整体的概括，本文旨在讲述雨流计数法统计全循环的步骤。
风电材料设备
关键词：雨流计数法风力发电机组疲劳寿命中国
1 引文
众所周知，风力发电在我国取得了长足的发展和进步。
但是，目前我国还没有完善的技术标准和认证体系。
风电产品的质量是风电设备制造企业的生命线，而建立标准和开展产品检测认证则是保障风电设备质量的有效手段。
因此，我国急需健全、完善和提高风电技术标准和检测认证体系，为风电设备的质量提供保障和监督。
由此可见，建立我国自主的风电机组评价体系和产品的认证机构就显得尤为重要。
建立这些除了需要必要的财力物力之外，还必须要有大批量的掌握结构设计、载荷评估、寿命计算、热力学、振动学等知识的技术人员。
2 疲劳寿命计算
结构设计计算或者评估一般要进行极限强度计算、疲劳寿命计算、振动分析、热平衡计算等。
本文主要围绕疲劳寿命计算叙述，根据所进行的分析以及所必须的已知条件，可以把疲劳寿命计算的步骤归纳为以下流程图[1]。
疲劳寿命计算根据载荷谱不同可分为三种情况：恒幅载荷作用下的疲劳寿命计算可以直接利用S-N曲线；变幅载荷下的疲劳寿命计算可以运用MINER理论进行等效计算；随机载荷是个比较复杂的情况，首先要将其转化为恒幅或者变幅载荷谱，然后再进行计算。
疲劳寿命计算的一般方法是：
①首先获取相关零件的材料性能、几何形状、加工工艺、装配过程和加载历程等信息，应用有限元结构分析技术（静强度分析）来判断可能发生破坏的位置（即危险点）；然后利用软件后处理来确定在施载荷条件下的局部应力——应变响应；
②获取工作载荷谱：对于复杂的加载历程（主要指随机载荷历程），可用循环计数法对载荷进行分析、处理，得出统计规律。
③最后结合零件或材料寿命曲线以及载荷谱进行疲劳寿命分析，以获得疲劳寿命的预计值。
对照分析
得到的预计值和设计要求值确定是否修改设计。
3 载荷谱的获取
从风场获取的随机载荷谱（如图2）很不规律，且对于疲劳分析来说有很多可以删除的无效数据，必须要对其进行统计处理；比如用雨流计数法做统计处理，提取出不同幅值，不同平均应力的循环；得到应力幅值和均值后，选择合适的修正方法、疲劳理论、估算方法、和S—N曲线进行疲劳寿命计算。
3.1 计数方法对比
将在风电场所测得的随机的、不规则的载荷时间历程曲线或者数据表转化为一系列循环的计数的方法很多，有峰值计数法、变程计数法和雨流计数法等等。
峰值计数法对所有峰值的数目进行统计计数，这种方法夸大了载荷对零件的损伤程度，设计结果会比较保守，不利于节约成本；变程计数法(振幅计数法)考虑了影响零件寿命的振幅因素,但忽略了载荷的静态分量。
在波形计数的各种统计法中，被国际上广泛用于疲劳强度设计的是雨流计数法，它被认为最符合材料的疲劳损伤规律[2]。
这种方法把整个载荷——时间历程中出现的应力幅范围划分为若干个等差的应力幅级别，然后统计出各级应力幅级别内所出现的循环次数，从而得到载荷——频次曲线等各种形式的载荷的统计结果。
中国风电材料设备网
对于雨流计数法，在很多有关疲劳分析的文献中都会有所叙述，但是很多都是照搬原话，对于初步学习载荷谱的技术人员来说，经常看得是模棱两可，一知半解。
本文在查阅了诸多文献和论文之后，总结了理解雨流计数法的步骤，清晰易懂。
风电材料设备
3.2 雨流计数法
取得随机的时间载荷历程曲线（举例说明，如图3）之后：
①将曲线顺时针旋转90°，把波峰、波谷想象成一系列房檐，让雨水在上面流动，根据雨流迹线来确定载荷循环；
②雨水起流原则：雨水依次在每个峰值或谷值的内侧（相对图3而言）或者上方（相对图4而言）沿着斜率方向流下，如图4所示：第一个雨流从1的内侧（上方）开始，第二个雨流从峰2的内侧（上方）开始，也就是说雨水在屋檐之上流起；
③雨流停止原则Ⅰ：凡是起流于波谷的雨流遇到比它更小的谷值（代数值）便停止，凡是起流于波峰谷的雨流遇到比它更大的峰值（代数值）便停止，如图中的始于波谷1的雨流止于7，而始于波峰2的雨流止于止于6；雨流停止原则Ⅱ：雨流凡是遇到上层房檐留下的雨时就停止，如图中始于波谷5的雨流止于2′，始于波峰4的雨流止于3′，始于波峰8的雨流止于7′，始于波谷13的雨流止于10′；
④根据上面得到的雨流的起点和终点，凡构成一个闭合的雨流迹线的形成一个全循环，取出所有的全循环，并记录它们的峰值或谷值。
⑤以上进行的是雨流计数的第一阶段，得到的结果是一个按照雨流计数法无法继续计数的发散—收敛波，如图5，要继续进行计数，就需要把此波改造成使之能使用雨流计数原则的收敛—发散波，并取出剩余的全循环，这就是雨流计数的第二个阶段。
⑥雨流计数法的全部计数结果，等于这两个阶段计数之和[3]。
3.3 计数程序化风电材料设备
根据雨流计数原理，可以编制计算机程序完成随机载荷时间历程的统计，继而得到载荷谱。
目前运用比较广泛的是bladed软件，当然这只是该软件的一项功能。
风电材料设备
对于做疲劳寿命分析的技术人员而言，可以运用模块化的软件完成载荷谱的获取；但是对于做载荷谱分析和研究的人员来讲，深刻理解并完全掌握雨流计数是非常必要的。
4 结论
本文针对疲劳寿命计算和雨流计数法展开，详细介绍了对雨流计数原理的理解步骤，对疲劳寿命计算流程做了一个整体的概括，具体理论和实践会在后续的文章中探讨，希望可以对广大结构设计和计算人员起到抛砖引玉的作用。
风电材料设备
参考文献
1 王碧石,孙黎,王春秀.风力发电机齿轮箱扭力轴的疲劳分析[J].机械设计与制
造,2009(9):155-157.
2 王宏伟，邢波，骆红云. 雨流计数法及其在疲劳寿命估算中的应用[J].矿山机械，2006(3)：95-97.
3 李怀林.用雨流法计算核电站部件材料在随机载荷下的疲劳损伤[D]. 北京:中国原子能科学研究院硕士学位论文,2001.
作者：孙黎，男，1984年生于山东济南，硕士，主要研究方向为有限元分析、数控技术，现从事风力发电机组齿轮箱的相关工作。