雨流计数法在风力发电机组疲劳寿命计算中的应用

    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。
    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。
    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
    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。
    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。