Nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi của cánh tua bin gió bằng composite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐỖ ANH TUẤN

Đỗ Anh Tuấn

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU DỰ ĐỐN TUỔI THỌ MỎI CỦA
CÁNH TUA-BIN GIĨ BẰNG COMPOSITE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CLC2016A
HÀ NỘI – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đỗ Anh Tuấn

NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ MỎI CỦA
CÁNH TUA-BIN GIĨ BẰNG COMPOSITE

Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. VŨ ĐÌNH QUÝ

HÀ NỘI – 2017


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Đỗ Anh Tuấn
Đề tài luận văn: Nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi của cánh tua-bin gió
bằng composite.
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số SV: CAC16028
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã
sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 28/7/2017 với các nội
dung sau:
- Rà sốt, chỉnh sửa lại các lỗi trình bày, lỗi ngữ pháp;
- Bổ sung tài liệu tham khảo và các trích dẫn cịn thiếu;
- Thay một số hình có độ phân giải cao hơn, rõ ràng hơn;
Ngày 09 tháng 08 năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Vũ Đình Quý

Đỗ Anh Tuấn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS. Nguyễn Phú Khánh

i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi – Đỗ Anh Tuấn, học viên lớp Cao học Kỹ thuật máy thủy khí khóa CLC2016A
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn này là cơng trình nghiên cứu
của bản thân tơi dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Đình Quý – Viện Cơ khí động lực –
Đại học Bách khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Hà Nội, ngày

tháng năm 2017
Tác giả

Đỗ Anh Tuấn

i


Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của luận văn tốt nghiệp và
cho phép bảo vệ:
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Giảng viên hướng dẫn

TS. Vũ Đình Quý

ii


TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU DỰ ĐỐN TUỔI THỌ MỎI CÁNH TUA-BIN GIĨ BẰNG
COMPOSITE
Tóm tắt: Tuổi thọ mỏi là tiêu chí để thiết kế cần thiết cho hầu hết các bộ phận
của tua-bin gió vì tua-bin gió phải vận hành liên tục trong một khoảng thời gian
dài (từ 25 năm trở lên) để có hiệu quả về kinh tế. Luận văn trình bày phương
pháp phân tích, dự đốn tuổi thọ mỏi của tua-bin gió cỡ nhỏ dựa vào các mơ đun
tính tốn của phần mềm ANSYS. Phổ tải gió được xác định bằng code tính tốn

động lực học chất lỏng Ansys-Fluent rồi chuyển qua code tính tốn kết cấu nhờ kĩ
thuật FSI một chiều để xác định phổ ứng suất trên tua bin gió. Thuật tốn đếm số
chu kì Rainflow và quy luật tích lũy Miner được sử dụng để tính tốn tuổi thọ mỏi
dưới tác dụng của tải gió biến đổi ngẫu nhiên. Kết quả tính tốn tuổi thọ mỏi cho
tua bin gió cỡ nhỏ cho thấy thành phần ứng suất gây ra bởi lực ly tâm là rất lớn
trong khi ứng suất gây ra bởi lực trọng trường là nhỏ.
Từ khóa: tuổi thọ mỏi, tua-bin gió, rainflow, miner
PREDICTION OF FATIGUE LIFE OF AN SMALL SCALE COMPOSITE WIND
TURBINE BLADE
Abstract: Fatigue analysis is very important for wind turbine design because
most wind turbine must achieve long operating lives in order to be cost-effective.
The thesis presents a methodology to predict fatigue life of a small scale wind
turbine by employing some ANSYS modules. ANSYS-fluent is used to calculate
pressure spectra on blades surface. These pressures are then transferred to ansys
structural analysis to estimate the stress spectra of blades structure. Rainflow
counting algorithm and Miner’s cumulative damage rule are used to predict
fatigue life of wind turbine blade. Analysis of the loads shows that the maximum
stresses are caused by centrifugal forces.
Keywords: Fatigue, wind turbine blade, rainflow, miner.

iii


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. vi 
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii 
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH MỎI TRÊN TUA-BIN GIĨ ............... 2 
1.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 2 
1.2 Tổng quan về chương trình nghiên cứu mỏi ........................................................ 2 

1.2.1 Bài tốn mỏi với tua-bin gió .......................................................................... 2 
1.2.2 Q trình thiết kế mỏi cho tua-bin gió .......................................................... 2 
1.2.3 Tổng quan về phương pháp mỏi .................................................................... 3 
1.3 Phương pháp được sử dụng. ................................................................................. 8 
1.4 Kết luận................................................................................................................. 8 
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỎI ...................................................... 9 
2.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 9 
2.2 Tuổi thọ mỏi ......................................................................................................... 9 
2.3 Quy trình phân tích mỏi. ..................................................................................... 11 
2.4 Tải trọng mỏi và phổ ứng suất. ........................................................................... 12 
2.5 Phương pháp đếm số chu kì rainflow ................................................................. 13 
2.6 Phương pháp hư hại tuyến tính đường cong mỏi S-N ........................................ 16 
2.7 Hệ số hiệu chỉnh cho lí thuyết độ bền mỏi. ........................................................ 19 
2.8 Dữ liệu mỏi thích hợp ......................................................................................... 19 
2.8.1 Dữ liệu biên độ không đổi ........................................................................... 19 
2.8.2 Hiệu ứng kích thước .................................................................................... 22 
2.9 Kết luận............................................................................................................... 22 
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH MỎI CHO TUA-BIN GIÓ WT 6000 6kW ..................... 23 
3.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 23 
3.2 Tua-bin WT6000 6kW ....................................................................................... 23 
3.2.1 Thông số kĩ thuật ......................................................................................... 23 
3.2.2 Cơ cấu thay đổi chúc ngóc cánh tua-bin gió ............................................... 25 
iv


3.2.3 Mơ hình tua-bin gió ..................................................................................... 26 
3.3 Phân tích mỏi cánh tua bin gió WT6000 6kW ................................................... 27 
3.3.1 Quy trình phân tích ...................................................................................... 27 
3.3.2 Xác định phổ ứng suất ................................................................................. 28 
3.4 Kết quả ................................................................................................................ 43 

3.4.1 Trường hợp cánh gỗ .................................................................................... 43 
3.4.2 Trường hợp cánh làm bằng composite vải thủy tinh ................................... 46 
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................... 51 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 53 

v


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Các chế độ tải [12]............................................................................................. 6 
Hình 2: Sơ đồ đánh giá mỏi ............................................................................................ 7 
Hình 3: Đường cong S-N chỉ ra yêu cầu ứng suất mỏi của tua-bin gió so với những kết
cấu khác. ....................................................................................................................... 10 
Hình 4: Các chế độ tải [12]........................................................................................... 12 
Hình 5: Định nghĩa ban đầu của phương pháp Rainflow [3] ....................................... 14 
Hình 6: Ví dụ về phương pháp Rainflow ..................................................................... 15 
Hình 7: Đường cong S-N .............................................................................................. 18 
Hình 8: Đường cong đặc tính S-N cho Khaya ivorensis/epoxy chịu kéo/ nén theo trục
tại R=-1,-2,-10 và 10 ở độ ẩm khoảng 10% [16].......................................................... 20 
Hình 9: Đường đặc tính S-N cho vật liệu Khaya tại R=0.1 độ ẩm 10% [16] .............. 20 
Hình 10: Đồ thị tuổi thọ không đổi cho vật liệu Khaya ivorensis/epoxy với 105, 106,
107 chu kì [16] .............................................................................................................. 21 
Hình 11: Đồ thị cơng suất phát theo vận tốc gió củ tua-bin Proven WT6000 ............. 25 
Hình 12: Sự thay đổi tốc độ quay của cánh tua-bin theo vận tốc gió ........................... 25 
Hình 13: Cơ cấu thay đổi góc chúc ngóc của tua-bin gió ............................................ 26 
Hình 14: Mơ hình cánh 3D ........................................................................................... 27 
Hình 15: Quy trình phân tích mỏi cánh tua bin gió ...................................................... 28 
Hình 16: Quy trình xác định phổ ứng suất trên cánh tua-bin gió ................................. 29 
Hình 17: Các lực tác dụng lên cánh tua bin gió ........................................................... 30 
Hình 18: Dữ liệu vận tốc gió theo thời gian trong năm 1998 ở Sân bay Shannon....... 31 

Hình 19: Mơ hình bài tốn FSI ..................................................................................... 32 
Hình 20: Mơ hình hình học bài tốn Fluent ................................................................. 33 
Hình 21: Mơ hình lưới trong Fluent ............................................................................. 34 
Hình 22: Mơ hình rối .................................................................................................... 37 
Hình 23: Sự hội tụ của các phương trình...................................................................... 38 
Hình 24: Véc tơ vận tốc trên cánh ................................................................................ 39 
Hình 25: Phân bố áp suất mặt trước cánh ..................................................................... 39 
vi


Hình 26: Phân bố áp suất mặt sau cánh ........................................................................ 39 
Hình 27: Mơ hình lưới trong Static Structural ............................................................. 40 
Hình 28: Các điều kiện ràng buộc trong static structural ............................................. 41 
Hình 29: Phân bố áp suất từ Fluent .............................................................................. 41 
Hình 30: Thiết lập các lực vật lí tác dụng lên cánh tua-bin .......................................... 42 
Hình 30: Chuyển vị của cánh chịu tải áp suất .............................................................. 43 
Hình 31: Ứng suất tương đương trên cánh ................................................................... 44 
Hình 32: Vận tốc gió thay đổi theo thời gian ............................................................... 45 
Hình 33: Phổ ứng suất lớn nhất tại gốc cánh làm bằng gỗ ........................................... 45 
Hình 34: Tuổi thọ mỏi trên cánh .................................................................................. 46 
Hình 35: Hư hại mỏi trên cánh ..................................................................................... 46 
Hình 42: Tuổi thọ mỏi với cánh composite .................................................................. 49 
Hình 43: Phá hủy mỏi trên cánh ................................................................................... 50 
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Đếm số chu kỳ Rainflow................................................................................. 16 
Bảng 2: Ma trận đếm số chu kỳ Rainflow .................................................................... 16 
Bảng 3: Thông số kĩ thuật của tua-bin Proven WT6000 .............................................. 24 
Bảng 4: Góc đặt ban đầu của cánh tua-bin gió ............................................................. 26 
Bảng 5: Dây cung và góc đặt cánh ở các vị trí khác nhau dọc theo cánh tua-bin ........ 27 
Bảng 6: Thang tiêu chuẩn Skewness ............................................................................ 34 

Bảng 7: Thang tiêu chuẩn Orthogonal.......................................................................... 34 
Bảng 8: Thông số lưới của mơ hình cánh ..................................................................... 35 
Bảng 9: Khởi chạy chương trình Fluent ....................................................................... 35 
Bảng 10: Điều kiện biên ............................................................................................... 38 
Bảng 11: So sánh ứng suất gây ra bởi lực khí động, lực li tâm và trọng lực ............... 44 

vii


LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, nhu cầu về năng lượng của con người ngày càng tăng trong
khi nguồn năng lượng từ các loại khoáng sản đã gần cạn kiệt. Do vậy chúng ta đang
hướng tới các nguồn năng lượng khác. Và một nguồn năng lượng đáng quan tâm là
gió. Năng lượng gió là một loại năng lượng sạch mà đã được sử dụng từ rất lâu trên
thế giới. Tuy nhiên đối với nước ta việc khai thác nguồn năng lượng này còn nhiều
hạn chế. Theo thống kê của World Wind Energy Association, nước ta giàu tiềm năng
năng lượng gió nhất khu vực Đơng Nam Á, tiềm năng về năng lượng gió biển rất lớn.
Đặc biệt, với một nước được thiên nhiên ưu đãi với hơn 3000 km chiều dài bờ biển
như Việt Nam, việc nghiên cứu khai thác nguồn năng lượng gió sẽ giúp chúng ta cải
thiện được sự thiếu thốn về điện như hiện nay. Bên cạnh đó góp phần khơng nhỏ vào
việc thúc đẩy kinh tế xã hội tại các vùng sâu vùng hải đảo nơi chưa có thể có nguồn
điện đầy đủ.
Qua q trình tìm hiểu về các loại tua bin gió hiện nay tơi quyết định chọn đề tài:
“Nghiên cứu dự đoán tuổi thọ mỏi của cánh tua-bin gió bằng composite”. Ngồi việc
nâng cao tầm hiểu biết về các kiến thức đã học trên ghế nhà trường, tơi tin rằng luận
văn này có thể góp phần nghiên cứu phát triển tua bin gió cỡ nhỏ cho hộ gia đình.
Để hồn thành được luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Vũ Đình
Q, các thầy cơ và các bạn sinh viên tại Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ đã
giúp tơi rất nhiều trong q trình thực hiện.

1


Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH MỎI TRÊN TUA-BIN GIĨ
1.1 Giới thiệu
Mục đích của chương này là tìm hiểu tổng quan những nghiên cứu trước đây về phân
tích tuổi thọ mỏi của tua-bin gió. Sau khi xem xét ngắn gọn bài tốn mỏi trên tua-bin
gió được, các phương pháp khác nhau được phát triển để đánh giá tuổi thọ mỏi của
tua-bin gió đã được xác định. Qua phân tích, một phương pháp phân tích mỏi được lựa
chọn để tính tốn tuổi thọ mỏi của tua-bin gió cỡ nhỏ được trình bày.
1.2 Tổng quan về chương trình nghiên cứu mỏi
1.2.1 Bài tốn mỏi với tua-bin gió
Sự mỏi được xác định là nguyên nhân chính gây ra phá hủy trên các bộ phận của tuabin gió. Một lỗi do mỏi được xét trên lá cánh từ tua-bin gió Smith-Putnam vào năm
1945. Tua-bin này được đặt cố định trong nhiều năm. Trong suốt thời gian đó, lá cánh
phải chịu những rung động gây ra bởi gió mạnh. Sự lặp đi lặp lại các rung động này
cuối cùng gây mỏi trên lá cánh. Một vết nứt nhỏ được phát triển, cuối cùng dẫn đến
phá hủy. Theo thử nghiệm của Rocky Flats gần một nửa các phá hủy xảy ra tại bề mặt
lắp ghép rotor với lá cánh tua-bin. Do đó trung tâm nghiên cứu năng lượng gió Rocky
Flats đã khởi động một dự án nghiên cứu về tuổi thọ mỏi cho tua-bin gió. Những kết
quả tương tự cũng được báo cáo bởi phòng thí nghiệm Sandia. Hầu hết tất cả các tuabin được xây dựng ở California những năm 1980 đều phải đối mặt với vấn đề về mỏi
khi hoạt động (tầm hoạt động với tốc độ gió trung bình là 7 m/s hoặc lớn hơn).
Chương trình nghiên cứu tại phịng thí nghiệm Sandia bao gồm việc đo lường các đặc
tính mỏi của vật liệu, định nghĩa về tải tác dụng lên tua-bin và sự phát triển của các
cơng cụ dự đốn tuổi thọ mỏi. Nhờ những kết quả đó những tua-bin được lắp đạt gần
đây đã có những cải thiện đáng kể về độ bền mỏi
1.2.2 Quá trình thiết kế mỏi cho tua-bin gió
Có hai cách tiếp cận để phân tích mỏi trên tua-bin gió. Cách tiếp cận truyền thống là
dùng đường cong S-N, dựa trên sự phân tích về ứng suất danh nghĩa trong các bộ phận
được phân tích. Cách thứ hai là cách tiếp cận của cơ học phá hủy cho chúng ta một

mẫu của trạng thái phát triển vết nứt. Cả hai cách này đều được sử dụng thành cơng
trong thiết kế mỏi tua-bin gió. Các tiếp cận S-N được áp dụng với số chu kì mỏi lớn
như là trường hợp tua-bin gió, cách này sẽ được áp dụng trong luận văn này. Đây là
2


Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió
một phương pháp được sử dụng bởi hầu hết các nhà nghiên cứu, và hiện tại được chấp
nhận để đánh giá tuổi thọ mỏi theo tiêu chuẩn châu Âu.
1.2.3 Tổng quan về phương pháp mỏi
1.2.3.1. Những tiếp cận đầu tiên
Là một phần của chương trình nghiên cứu của trung tâm Rocky Flats, một bài báo cáo
của Waldon thảo luận về lý thuyết mỏi và xem xét các kĩ thuật dự đốn tải trọng mỏi
và tuổi thọ mỏi. Để có thể đánh giá tuổi thọ mỏi, đầu tiên tải trọng mà tua-bin gió phải
chịu cần được phân tích. Tải trọng bao gồm lực li tâm, lực đẩy khí động và mơ men
xoắn, trọng lực, tải hồi chuyển và tải khí động cảm ứng do dòng chảy qua tua-bin và
chuyển động lắc ngang. Những tải trọng này có thể tính tốn bằng cách sử dụng Code
khí động (Aerodynamic codes) (PROP, MOSTAB) [2].
Khi đã đánh giá được tải trọng tác dụng lên tua-bin gió chúng ta cần có một phương
pháp để dự đốn tuổi thọ mỏi. Bốn phương pháp được đưa ra bởi Waldon, ba trong số
đó để đánh giá mỏi trong suốt giai đoạn thiết kế, phương pháp thứ tư dùng để đánh giá
trong quá trình thử nghiệm:
1. Phương pháp sức bền vật liệu. (the strength of materials method)
2. Phương pháp đường cong mỏi. (the fatigue curve method)
3. Phương pháp biến cố mỏi. (The fatigue event method)
4. Phương pháp thử nghiệm.
Phương pháp sức bền vật liệu là phương pháp đơn giản nhất, phương pháp này đã
được sử dụng trong việc thiết kế tua-bin gió 8kW Grumman [1]. Trong phương pháp
này độ bền mỏi được xem xét là một trong hai yếu tố cùng với độ bền chảy dẻo (a
factor of two on yield strength). Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là một số

vật liệu không tuân theo quy tắc này.
Phương pháp đường cong mỏi liên quan đến việc sử dụng đường cong mỏi S-N. Số
chu kì tải được tính tốn bằng cách sử dụng một phân bố Weibull và những đặc tính
hoạt động của tua-bin gió (rpm). Kĩ thuật này giả sử có một mức ứng suất tối đa có thể
dẫn tới phá hủy.
Phương pháp cuối cùng là phương pháp biến cố mỏi dựa trên kĩ thuật của máy bay.
Trong phương pháp này sự vận hành của tua-bin chia làm các trường hợp khác nhau
như: khởi động, hoạt động bình thường, điều khiển tốc độ quay rotor, lắc ngang, tắt
3


Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió
máy (trường hợp bình thường và khẩn cấp), và khi chịu gió với vận tốc rất lớn. Tải
trọng mà tua-bin phải chịu trong mỗi trường hoạt động trên cần được tính tốn. Bước
tiếp theo là đánh giá số giờ hoạt động cho mỗi điều kiện trên theo phân bố Weibull.
Sau đó số chu kì tải được tính tốn bằng cách sử dụng tần số chiếm ưu thế của các bộ
phận khi hoạt động (1 vòng tải trên 1 vòng quay đối với cánh tua-bin). Tiếp theo một
quy tắc phá hủy mỏi cần được lựa chọn để đánh giá mỏi. Một vài quy tắc đã được cập
nhật bao gồm: Palmgren- Milner [4], Manson double linear rule [5], Corten-Dolan
Theory [6]. Có thể nói rằng khi số chu kì tải tăng thì độ chính xác của phương pháp dự
đốn tuổi thọ mỏi cũng tăng theo, do đó phương pháp Palmgren-Milner là lựa chọn tốt
nhất cho việc dự đoán tuổi thọ mỏi trên các bộ phận của tua-bin. Hiện nay phương
pháp này được sử dụng nhiều nhất bởi các nhà nghiên cứu và phương pháp PalmgrenMilner sẽ được sử dụng trong luận văn này.
Phương pháp thử nghiệm được trình bày bởi Waldon để dự báo tuổi thọ mỏi, bao gồm
một phương pháp đếm chu kì. Có rất nhiều phương pháp đếm chu kì, đếm đỉnh,
khoảng trung bình và rain flow. Với tua-bin gió, số chu kì mỏi bao gồm các tải trọng
trung bình thay đổi thì phương pháp đếm chu kì rainflow là phương pháp tối ưu hơn
cả. Đây là phương pháp đếm hiện tại được sử dụng bởi hầu hết các nhà nghiên cứu và
là phương pháp được áp dụng trong luận này.
Phương pháp thử nghiệm được đề xuất bởi Waldon gồm 4 bước cơ bản:

1- Đánh giá biên độ và tần số của các tải trọng.
2- Đánh giá sức bền mỏi của các bộ phận.
3- Chọn quy luật tích lũy phá hủy.
4- Đo lường các tải trọng và đếm số chu kì để phát triển phân bố tải tổng quát và
so sánh với các tải trọng ở bước 1.
Tuy nhiên tại thời điểm này vẫn tồn tại các yếu tố chưa xác định như cách đánh giá
tần số xảy ra của tải cảm ứng lắc ngang, chúc ngóc, và tắt máy cũng như những dữ
liệu cần thiết cho mỗi trường hợp trên.
1.2.3.2. Ảnh hưởng của lắc ngang.
Nhưng nghiên cứu sâu hơn được thực hiện bởi Waldon về ảnh hưởng của tốc độ lắc
ngang đến tuổi thọ mỏi. Tải hồi chuyển cảm ứng trong suốt quá trình hệ thống lắc
ngang tự do được tìm ra là tải tới hạn trong máy thử nghiệm. Một cơ sở dữ liệu có thể
thu được từ việc mô tả các đặc điểm của tải trọng mỏi thực nghiệm bằng một hệ thống
4


Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió
gió dưới các điều kiện gió khác nhau. Phân tích những thử nghiệm trên cho thấy tải
trọng lớn nhất thường liên kết với chuyển động lắc ngang. Mô men uốn tăng gấp 2 lần
khi chuyển động lắc ngang với tốc độ 5º/giây. Mặc dù nguyên nhân của chuyển động
lắc ngang chưa được xác định rõ nhưng việc thay đổi hướng gió khơng phải là ngun
nhân chính nhưng sự khơng xác định của véc tơ vận tốc gió dọc theo đĩa rotor có thể
là nguyên nhân. Sự thay đổi này gây ra gió cắt theo trục ngang là ngun nhân chính
gây ra hiện tượng lắc ngang.
Dựa trên các nghiên cứu của Waldon, Edderson và Stoddard đã trình bày một phương
pháp dự đốn tuổi thọ mỏi cho tua-bin gió. Họ cũng xác định rằng trọng lực và lực li
tâm là những lực cơ bản gây ra tải trọng mỏi. Tuy nhiên ảnh hưởng của động lực học
do gió vẫn chưa được tìm hiểu kĩ.
1.2.3.3. Vai trò của động lực học.
Sự quan trọng của động lực học và dịng xốy để dự đốn mỏi được thảo luận chi tiết

bởi Harrad và Hassan [11]. Bài toán về sự nhiễu loạn lần đầu tiên được đưa ra bởi
Rosenbrock [12] vào năm 1955. Tuy nhiên, hầu hết những sự nghiên cứu về vấn đề này
được thực hiện vào cuối những năm 1970 bởi Frandsen[12], Raab và Hassan. Sau đó
Mandsen xuất bản một bản phân tích chi tiết về ảnh hưởng của động lực học lên sự
phá hủy mỏi của tua-bin gió. Tiếp đó, một số chỉnh sửa được thực hiện bởi Madsen,
Garrad và Hassan[11] đã tiếp tục phát triển việc phân tích q trình dự đốn sự phản
hồi động lực học của tua-bin và đưa ra kết quả về sự phá hủy mỏi. Những nghiên cứu
bởi Garrad và Hassan cho thấy tải động lực học có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phá hủy
mỏi.
1.2.3.4. Định nghĩa chu kì tải.
Nghiên cứu của Murtha chỉ ra rằng sự tích lũy phá hủy phụ thuộc vào mức độ số lần
khởi động và tắt có nghĩa là phụ thuộc vào tốc độ gió và sự nhiễu loạn của gió. Những
nguyên nhân này ảnh hưởng đến 3 loại chu kì được định nghĩa bởi Finger [12] và hiện
nay được chấp nhận trong lí thuyết mỏi. Hình 1-2 cho thấy những chu kì tải, Chế độ I
xảy ra 1 lần trên 1 vòng (1P loads) và được gây ra bởi các dải tải hẹp và bất ổn định.
Chế độ II được gây ra bởi tốc độ gió trung bình khác nhau, và chế độ III là chu kì khởi
động và tắt máy.

5


Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió

Hình 1: Các chế độ tải [12]
Phương pháp được phát triển bởi Finger được áp dụng cho việc thiết kế kết cấu của
tua-bin 2.5 MW Mod-2 và 3.2MW Mod-5B Boeing. Những quy trình tương tự được
áp dụng cho tua-bin trong luận văn này mặc dù có một vài hiệu chỉnh để phù hợp với
dữ liệu có sẵn. Phương pháp này bao gồm các bước:
1. Dự đoán tải (phổ tải)
2. Đếm chu kì

3. Định nghĩa ứng suất mỏi cho phép.
Với việc dự đoán tải cho năm trường hợp tải riêng biệt sau đây được xem xét: mơ men
vẫy trung bình, mơ men vẫy thay thế, mơ men dây cung trung bình, mô men dây cung
thay thế và lực li tâm. Những dữ liệu được phân tích và chỉ ra rằng chế độ tải I chiếm
phần lớn sự phá hủy mỏi, do đó chúng ta sẽ chỉ xem xét đến loại tải này trong việc
phân tích phá hủy mỏi. Phương pháp cơ học phá hủy cũng được sử dụng để định nghĩa
ứng suất mỏi cho phép và từ đó cả tuổi thọ mỏi.
Tải trọng gió được tính tốn bằng Ansys Fluent. Thay vì sử dụng dữ liệu tải gió khơng
đổi ta chọn tải gió thay đổi theo thời gian làm điều kiện đầu vào. Thuật tốn đếm chu
kì rainflow sẽ được sử dụng để tính tốn số chu kì ứng suất và đường cong S-N được
chọn làm tiêu chí đánh giá ứng suất mỏi cho phép.
1.2.3.5. Đánh giá tuổi thọ mỏi.
Để tính tốn tuổi thọ mỏi của tua-bin gió thơng qua các thơng số đầu vào như: (1)
Phân bố vận tốc gió hàng năm của khu vực, (2) Dữ liệu mỏi, (3) Những chu kì tải và
tốc độ gió trung bình, (4) tham số hoạt động và hệ số tập trung ứng suất trên các bộ
phận. Quy luật tích lũy hư hại tuyến tính Miner được sử dụng tính tốn ra thời gian
dẫn tới phá hủy. Những ứng suất trung bình và biên độ ứng suất sẽ được nhập vào tùy
6


Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió
theo các trạng thái vận hành khác nhau của tua-bin, những giá trị này có thể thu được
từ mơ phỏng hoặc đo lường theo dữ liệu thời gian. Việc dự đốn tuổi thọ mỏi có thể
thu được bằng cách tổng hợp các phá hủy gây ra bởi chu kì tải cho mỗi trạng thái hoạt
động của tua-bin.
1.2.3.6. Những tiêu chuẩn đánh giá.
Một vấn đề đặt ra của bài toán phân tích mỏi là tiêu chuẩn mỏi. IEC tập trung vào các
tua-bin cỡ nhỏ. Tiêu chuẩn EUR 16898 EN [13] là tiêu chuẩn của châu Âu với mục
đích đồng nhất các phương pháp để phân tích mỏi trên tua-bin gió. Trong tiêu chuẩn
này phá hủy mỏi trên các bộ phận của tua-bin gió có thể thu được từ phổ ứng suất. Hai

bước sau cần được thực hiện:
1. Xác định những ứng suất hoặc biến dạng từ dữ liệu tải.
2. ứng dụng mơ hình tính tốn phá hủy
Với bước đầu tiên là xác định phổ ứng suất, các trường hợp tải riêng biệt được xác
định và phân bố dựa theo tần số xuất hiện của các vận tốc gió tương ứng. Thơng
thường ta sẽ lấy dữ liệu gió trong 1 năm vận hành của tua-bin gió. Sự thay đổi hướng
gió cũng nên được xem xét ảnh hưởng đến độ bền mỏi của tháp tua-bin.
Với việc tính tốn ứng suất/ biến dạng, tất cả 6 thành phần (3 lực và 3 mô men) phải
được xem xét. Hình 2 cho ta thấy sơ đồ cho việc đánh giá mỏi theo tiêu chuẩn:

Hình 2: Sơ đồ đánh giá mỏi

7


Chương 1: Tổng quan về phân tích mỏi trên tua-bin gió
1.3 Phương pháp được sử dụng.
Mục tiêu chính của luận văn là đánh giá tuổi thọ mỏi của tua-bin gió WT6000. Những
phương pháp được trình bày bởi Spera sẽ được trình bày phù hợp với tiêu chuẩn châu
ÂU.
Phương pháp trên bao gồm các bước liên quan:
1.
2.
3.
4.

Dự đoán tải (phổ tải)
Xác định phổ ứng suất
Đếm chu kì
Xác định ứng suất mỏi cho phép.

Việc phân tích mỏi sẽ được áp dụng trên cánh tua-bin vì đây là vị trí nhạy cảm nhất về
mỏi của tua-bin gió do chịu số chu kì tải là lớn nhất.
Phổ tải được tính tốn bằng phương pháp giải tích và sẽ được xác minh qua kiểm tra
thực nghiệm. Những tải trọng được xem xét bao gồm lực khí động, trọng lực và lực li
tâm. Ảnh hưởng của sự nhiễu loạn do gió thay đổi được bỏ qua với hệ thống tua-bin
nhỏ.
Dải ứng suất được phát triển bằng cách dùng phương pháp phần tử hữu hạn trong
ANSYS. Phương pháp đếm chu kì rainflow được dùng để đếm số chu kì chịu tải của
cánh tua-bin gió.
Cuối cùng đường cong S-N được sử dụng để xác định ứng suất mỏi cho phép.
1.4 Kết luận
Có 2 cách tiếp cận khác nhau với việc dự đoán tuổi thọ mỏi được đề cập: (1) đường
cong S-N, (2) Cơ học phá hủy. Cách đầu tiên hiện nay đang được sử dụng để đánh giá
mỏi theo tiêu chuẩn của châu Âu.
Các bước tương tự được sử dụng với hầu hết các nhà nghiên cứu để đánh giá tuổi thọ
mỏi của tua-bin gió là: (1) Xác định phổ tải, (2) Phổ ứng suất, (3) áp dụng quy luật về
phá hủy mỏi.
Phổ tải thường được xác định bằng thực nghiệm, mặc dù một số code và phương trình
thục nghiệm được phát triển để hồn thành việc xác định phổ tải trong quá trình thiết
kế. Với bất kì phương pháp nào thì phổ tải phải bao gồm sự tác dụng của các lực sau:
trọng lực, lực khí động và lực li tâm. Thông thường ta dùng định luật Palmgren –
Miner để tính tốn tuổi thọ mỏi.

8


Chương 2: Phương pháp phân tích mỏi
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỎI
2.1 Giới thiệu

Trong chương này, chúng ta sẽ phân tích tầm quan trọng của việc đánh giá độ bền mỏi
của tua-bin gió. Sau đó một phương pháp để dự đốn tuổi thọ mỏi sẽ được trình bày.
Tác giả cũng tập trung vào việc phân tích, đánh giá hư hỏng tích lũy.
2.2 Tuổi thọ mỏi
Giống như tất cả các loại máy móc chuyển động quay khác, tua-bin gió chịu tác động
của tải trọng mỏi. Mỗi vòng quay của các bộ phận là một vòng tải, còn gọi là chu kì
mỏi. Mỗi một chu kì này gây ra một sự hư hỏng nhất định, kết quả là làm giảm vòng
đời hoạt động của bộ phận. Khi đạt đến đủ một số chu kì nhất định thì vết nứt do mỏi
có thể được hình thành. Khi kết cấu có vết nứt tế vi tiếp tục chịu tải trọng sẽ dẫn đến
sự mở rộng và lan truyền vết nứt cho đến khi kết cấu bị phá hủy. Số chu kì tải trọng
được duy trì trước khi xuất hiện vết nứt được gọi là tuổi thọ mỏi (cycles to failure).
Những kết cấu của tua-bin gió rất khó để tính tốn, dự đốn tuổi thọ mỏi vì chúng có
các đặc điểm sau:
-

Có sải lớn;
Phải chịu dao động và sự cộng hưởng;
Hoạt động với các tải trọng thường ngẫu nhiên không theo quy luật xác định;
Vận hành liên tục trong mọi thời tiết và tần suất bảo dưỡng thấp;
Phải liên tục cạnh tranh với các nguồn năng lượng về mặt chi phí.

Những yêu cầu về tuổi thọ mỏi là tiêu chí bắt buộc trong thiết kế phần lớn các kết cấu
của tua-bin gió.
Tuổi thọ mỏi là tiêu chí để thiết kế cần thiết cho hầu hết các bộ phận của tua-bin gió vì
tua-bin gió phải vận hành liên tục trong một khoảng thời gian dài (từ 25 năm trở lên)
để có hiệu quả về kinh tế.
Tuổi thọ mỏi phụ thuộc rất lớn vào biên độ của ứng suất thay đổi. Các cánh tua-bin là
các bộ phận nhạy cảm nhất vì kích thước và số chu kì tải chúng phải chịu. Những
cánh này phải chịu tất cả trọng lượng đảo ngược sau mỗi chu kì quay. Trong một vịng
đời của tua-bin gió, mỗi cánh tua-bin phải chịu ít nhất một tỷ chu kì mỏi. Với số lượng

lớn chu kì tải này, rất ít kết cấu có thể chịu được. Tuổi thọ của tua-bin gió được thiết
kế bao gồm nhiều chu kì tải hơn so với các kết cấu khác, do vậy giá trị ứng suất trên
tua-bin gió phải thấp hơn so với các kết cấu khác như được chỉ ra trên Hình 3.
9


Chương 2: Phương pháp phân tích mỏi

Ứng suất cho phép

Máy bay chở khách
Cầu
Tàu cánh ngầm
Trực thăng
Cánh tuabin gió
tuổi thọ 20-30 năm

Số chu kì tải trước khi phá hủy
Hình 3: Đường cong S-N chỉ ra yêu cầu ứng suất mỏi của tua-bin gió so với những kết
cấu khác.
Vì tuổi thọ mỏi là một yếu tố quan trọng trong thiết kế tua-bin, nên chúng ta cần có
một phương pháp đơn giản để đánh giá tuổi thọ mỏi của các bộ phận trong quá trình
thiết kế.
Việc đánh giá tuổi thọ mỏi của tua-bin gió u cầu dữ liệu về đặc tính mỏi của kết cấu
và tải tác dụng lên các bộ phận. Tải trọng tác dụng lên tua-bin bao gồm: tải gió, trọng
lực và lực quán tính, lực li tâm; các lực này đều khơng tn theo quy luật. Những tải
này có thể được xác định bằng cách đo trực tiếp trên tua-bin đang hoạt động dựa vào
các cảm biến biến dạng hoặc bằng phương pháp tính tốn kết cấu bằng mơ phỏng số.
Những đặc tính mỏi của kết cấu thu được từ các thí nghiệm trên các kết cấu hoặc kiểm
tra vật liệu và phân tích cẩn thận ứng suất của các bộ phận. Rất khó để ước lượng tuổi

thọ mỏi cho kết cấu vì đặc tính mỏi chưa được xác định cho những vật liệu chưa được
sử dụng trong ngành hàng không hoặc phương tiện mặt đất.
Một khi đã xác định được đặc tính mỏi của vật liệu và tải trọng tác dụng lên kết cấu,
các kĩ thuật khác nhau sẽ được sử dụng để đánh giá tuổi thọ mỏi. Như đã trình bày ở
chương trước, những kĩ thuật này nằm trong khoảng từ hệ số an toàn của độ bền chảy
dẻo của vật liệu đến tải trọng và số vòng đánh giá được dùng kết hợp với nguyên lí
phá hủy tuyến tính (Palmgren- Miners) và dữ liệu mỏi của vật liệu. Những dữ liệu trên
sẽ được dùng để đánh giá tuổi thọ của tua-bin gió.
10


Chương 2: Phương pháp phân tích mỏi
Phương pháp của Spera [14] để dự đoán tuổi thọ mỏi của các bộ phận tua-bin gió sẽ
được trình bày. Phương pháp này tn theo các bước được quy định trong tiêu chuẩn
Châu Âu [15].
Tiêu chí về kinh tế cũng được xét đến khi tính tốn tuổi thọ mỏi. Tua-bin gió được
thiết kế để sản xuất điện, và do đó phải cạnh tranh về mặt kinh tế với các nguồn điện
truyền thống. Do đó, ứng dụng các vật liệu theo chuẩn hàng khơng (có giá thành cao)
nhằm giúp giảm khối lượng và nâng cao độ tin cậy của kết cấu và đặc tính của vật liệu
gần như là bất khả thi vì tính kinh tế. Nền cơng nghiệp tua-bin gió chế tạo các lá cánh
tua-bin bằng vật liệu composite vải thủy tinh được sử dụng phổ biến trong cơng
nghiệp đóng tàu hoặc bằng hợp kim nhơm sử dụng trong xây dựng.
2.3 Quy trình phân tích mỏi.
Sự phân tích mỏi liên quan đến định nghĩa của hai thành tố:
1. Tải và phổ ứng suất ở các bộ phận tới hạn của tua-bin gió
2. Ứng suất mỏi cho phép.
Khi phổ tải mỏi đã được định nghĩa cho các vị trí tới hạn ở tua-bin gió, vấn đề của
việc thiết kế các bộ phận tua-bin để chịu được tải trong tuổi thọ thiết kế trở thành một
quy trình được chấp nhận. Tiêu chuẩn về quy trình phân tích ứng suất mỏi được dùng
để chuyển đổi phổ tải sang phổ ứng suất, và ứng suất mỏi cho phép được dựa trên các

bài kiểm tra tiêu chuẩn cho vật liệu xây dựng.
Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong quá trình thiết kế mỏi là định nghĩa về
ứng suất mỏi cho phép. Đây là một kĩ thuật đặc biệt mà các kĩ sư điều chỉnh kết quả từ
phòng thí nghiệm kiểm tra mỏi trên vật liệu và chuyển vào vật mẫu để tính tốn và dự
đốn phổ ứng suất, kích thước hiệu quả, chi phí sản xuất hiệu quả và quy trình kiểm
tra, ảnh hưởng mơi trường và kế hoạch bảo dưỡng cho kết cấu trong quá trình làm
việc. Do đó, sự xác định rõ ứng suất mỏi cho phép với các loại vật liệu khác nhau ở
trong kết cấu là một phần tích hợp trong sản xuất và vận hành kết cấu này.
Phương pháp hư hại tuyến tính đường cong S-N (S-N Linear Damage Method) đã
được sử dụng thành cơng để tính tốn cho ảnh hưởng của phổ ứng suất [6] và sẽ được
giải thích trong phần sau. Đây là một trong những bước đầu tiên để hiệu chỉnh các kết
quả từ phịng thí nghiệm và việc tìm ứng suất mỏi cho phép.

11


Chương 2: Phương pháp phân tích mỏi
2.4 Tải trọng mỏi và phổ ứng suất.
Trong một kết cấu chịu tải biến đổi lớn như tua-bin gió, hư hại mỏi được xác định bởi
biên độ và tần số của các chu kì tải hoặc phổ ứng suất ở các vị trí tới hạn.
Những chu kì này thường được lí tưởng hóa vào miền thời gian liên tục với các giá trị
tối thiểu (min) và tối đa (max) được kết nối bằng các đường thẳng. Trong cách này,
biên dạng của đường giữa giá trị min và giá trị max kế tiếp thì khơng cần để ý mà chỉ
cần kích thước và số điểm ứng suất min-max.
Sự biến đổi của tải hoặc ứng suất theo thời gian được giả sử bao gồm ba loại chu kì [26]
như được chỉ ra trước đó.

Hình 4: Các chế độ tải [12]
-

Kiểu I: Từ giá trị min đến giá trị max trong 1 vòng quay rotor.
Kiểu II: Từ giá trị min đến max trong một chu kì thay đổi lớn của tốc độ gió.
Kiểu III: Từ giá trị min đến giá trị max trong chu kì chạy, từ khởi động cho đến
tắt máy;

Kiểu I: những chu kì xảy ra một lần trên một vòng quay rotor bao gồm các lực: trọng
lực, tải gió. Những chu kì mỏi có thể xảy ra nhiều hơn 1 lần trên 1 vòng quay của
rotor dưới 2 điều kiện chung sau:
1. Khi tải sơ cấp trên bộ phận liên quan đến vị trí các cánh. Trong trường hợp đó
số vịng tải mỏi trên vịng sẽ ngang với số cánh tua-bin;

2. Khi có sự cộng hưởng, trường hợp đó có
chu kì mỏi trên 1 vòng quay. Ở

đây  là tần số tự nhiên của bộ phận và  là tốc độ quay rotor, tỉ số này
thương là 3 hoặc lớn hơn;

12


Chương 2: Phương pháp phân tích mỏi
Kiểu II: các chu kì được gây ra bởi cơn gió giật mạnh bao phủ cả phần rotor trong
điều kiện ở khu vực đặt tua-bin.
Cuối cùng kiểu III các chu kì liên quan tới “khởi động- chạy- dừng” chu kì, tính tốn
từ lúc khởi động cho đến khi tắt máy.
Tổng hợp của cả ba loại chu kì cho ta số chu kì mà tua-bin gió phải chịu trong suốt
q trình khởi động- chạy- tắt. Thiếu sót của phương pháp đếm đơn giản này là việc
xác định kiểu II yêu cầu những sự đánh giá chính xác. Phương pháp rainflow dựa trên
tiêu chuẩn ASTM sẽ được để cập cho việc đếm chu kì mỏi.
2.5 Phương pháp đếm số chu kì rainflow

Theo Dowling, phương pháp đếm số chu kỳ Rainflow là phương pháp dự đoán tuổi
thọ mỏi hiệu quả hơn các phương pháp đếm khác.
Ứng dụng của phương pháp Rainflow là làm giảm độ phức tạp của dữ liệu tải, biến
đổi phổ tải phức tạp thành một dãy các ứng suất khơng đổi, từ đó áp dụng quy luật
tích lũy hư hại tuyến tính Miner để dự đoán tuổi thọ mỏi của vật liệu.
Phương pháp này được áp dụng rộng rãi vì nó mơ tả ứng xử của vật liệu dưới tác dụng
của tải thay đổi theo chu kỳ. Đặc điểm chính của phương pháp đếm này là:
-

Tính tương đương của hư hại: Nếu hai dữ liệu tải cho cùng một kết quả đếm
rainflow, hư hại chúng gây ra là tương đương;
Sự rút gọn dữ liệu: có khả năng giảm kích thước dữ liệu để cho phép người
dùng có thể lưu trữ, sử dụng và đánh giá lượng lớn dữ liệu;
Tính đơn giản: Thuật tốn này dễ dàng được thực hiện trên máy tính và kết quả
của nó có thể dễ dàng hiểu được;
Sự xây dựng lại: Cho phép xây dựng lại dãy thời gian từ dữ liệu thu gọn.

Phương pháp này được phát triển đầu tiên bởi Matsuishi và Endo, dựa trên sự tương
đồng với giọt nước chảy xuống mái chùa (pagoda roof), và chảy xuống các cạnh của
mái, nên nó được gọi là phương pháp Rainflow. Nước chảy xuống được thể hiện trên
hình 3 với một dữ liệu thời gian điển hình. Đầu tiên, đồ thị này được sắp xếp lại để bắt
đầu và kết thúc tại điểm có ứng suất lớn nhất (đỉnh - peak) hoặc nhỏ nhất (đáy valley) để loại bỏ việc đếm các nửa chu kỳ. Sau đó đồ thị được xoay theo chiều kim
đồng hồ một góc là 90º, nên dữ liệu tải trở thành một chuỗi các đỉnh và đáy, trông
giống như một mái chùa. Điểm cao nhất của mái là ở bên phải hoặc bên trái trục thẳng
đứng. Nếu bắt đầu chảy từ một đỉnh, nó sẽ tiếp tục chảy xuống và dừng lại khi gặp
một trong các điều kiện sau:
13


Chương 2: Phương pháp phân tích mỏi

-

Chảy xuống gặp đỉnh đối diện có giá trị lớn hơn đỉnh mà nó bắt đầu chảy
xuống;
Gặp một dòng chảy xuất phát từ đỉnh trước đó.
Nếu như bắt đầu chảy từ một đáy, nó sẽ tiếp tục chảy xuống và dừng lại khi:
Gặp đáy đối diện sâu hơn điểm mà nó bắt đầu chảy xuống;
Gặp một dịng chảy xuất phát từ đáy trước đó.

Quy tắc đã giới thiệu ở trên, được mô tả ở Hình 5. Dữ liệu gốc ở Hình 5a được sắp
xếp lại để xuất phát từ đỉnh cao nhất (Hình 5b). Tất cả các phần dữ liệu trước đỉnh A
được chuyển sang ngồi cùng bên phải. Sau đó, đồ thị được quay 90º, đồ thị trở thành
một chuỗi các đỉnh và đáy, đỉnh ở bên phải và đáy ở bên trái trục thời gian (Hình 5c).

Hình 5: Định nghĩa ban đầu của phương pháp Rainflow [3]
Có một cách định nghĩa hiện nay của phương pháp đếm số chu kỳ Rainflow được tìm
thấy trong tài liệu [3]. Theo tiêu chuẩn này, phương pháp Rainflow được mô tả như
sau:
Gọi X là khoảng đang xét, Y là khoảng ngay trước và kề với X và S là điểm bắt đầu
của tiến trình.
-

Đọc đỉnh hoặc đáy tiếp theo, nếu hết dữ liệu, nhảy đến bước 6;
Nếu cịn lại ít hơn 3 điểm, trở lại bước 1. Ghép khoảng X và Y sử dụng 3 điểm
gần nhất không bị loại bỏ;
So sánh giá trị tuyệt đối của khoảng X và Y.
o Nếu X < Y, trở lại bước 1.
o Nếu X ≥ Y, chuyển đến bước 4.

14

Chương 2: Phương pháp phân tích mỏi
-

Nếu khoảng Y chứa điểm bắt đầu S, nhảy đến bước 5; nếu không thì đếm
khoảng Y là một chu kỳ, loại bỏ đỉnh và đáy của khoảng Y, trở lại bước 2;
Đếm khoảng Y là một nửa chu kỳ; loại bỏ điểm đầu của khoảng Y (đỉnh hoặc
đáy); chọn điểm thứ 2 của khoảng Y làm điểm bắt đầu, trở lại bước 2;
Tính mỗi khoảng khơng được đếm trước đó là một nửa chu kỳ.

Hình 6 là ví dụ của phương pháp đã trình bày ở trên. Bảng 1 tóm tắt số các chu kỳ đã
đếm được và Bảng 2 là kết quả dưới dạng ma trận khoảng ứng suất - ứng suất trung
bình (range - mean matrix).

Hình 6: Ví dụ về phương pháp Rainflow

15