2.3 风力发电机组结构极限限制状态分析
2.3.1 设计方法
风力发电机组标准规定局部安全系数分析方法为风力发电机组系统构架的分析方法。局部安全系数分析方法取决于荷载和材料的不确定性和易变性、分析方法的不确定性以及失效零件的重要性。
（1）局部安全系数。为保证荷载与材料的安全设计值，荷载与材料的不确定性和易变性可用下列公式确定的荷载局部安全系数与材料局部安全系数进行补偿，即
式中 Fd——荷载的设计值；
γf——荷载局部安全系数；
Fk——荷载的特征值。
式中 fd——材料特性设计值；
γm——材料局部安全系数；
fk——材料性能特征值。
（2）重要失效局部安全系数γn与构件分类。引入重要失效局部安全系数γn，以便进行区分构件分类。一类构件安全系数用于失效—安全结构件，结构件的失效不会引起风力发电机组重要零件的失效，如被监测的可替换轴承；二类构件安全系数用于非失效—安全结构件，结构件的失效会迅速引起风力发电机组重要零件的失效；三类构件安全系数用于非失效—安全机械结构件，连接驱动和刹车到主要结构部件的机械结构件，用于实现风力发电机组非冗余保护功能。
风力发电机组极限限制状态的分析，应按四种相应的分析类型进行，即极限强度分析、疲劳损伤分析、稳定性分析和临界挠度分析（叶片与塔架机械干扰等）。每种分析都要求用不同的极限状态函数表示，并用局部安全系数来考虑各种不确定性。
（3）材料标准的应用。确定风力发电机组结构完整性，可采用我国或国际的相应材料设计标准。
2.3.2 极限强度分析
极限状态函数可分成荷载函数S和抗力函数R，不超出最大极限状态的计算公式为
极限强度分析用的荷载函数S为结构响应的最大值。结构抗力函数R是材料抗力容许的最大设计值，故R（fd）=fd。当同时作用多个荷载时，计算公式为
为了对风力发电机组的每个构件进行评定，应用各种荷载情况进行极限强度分析。
（1）荷载局部安全系数。根据规定的正常和非正常设计工况，荷载局部安全系数应取表2-1中的规定值。
表2-1 荷载局部安全系数γf
（2）无通用设计规范的材料局部安全系数。材料局部安全系数应根据充分有效的材料性能试验数据确定。考虑到材料强度的固有可变性。当使用95%存活率及95%置信度的典型材料性能时，所用材料的材料局部安全系数γm应不小于1.1。该系数用于有延性的构件，且这些构件的失效会导致风力发电机组主要构件失效。
表2-2 风向随风速变化的突变情况
（3）重要失效局部安全系数。对于各构件，按其在结构系统中重要程度分类，重要性越大，其重要失效局部安全系数越大，一类构件γn=0.9；二类构件γn=1.0，三类构件γn=1.3。
2.3.3 疲劳损伤分析
疲劳损伤可通过适当疲劳损伤容限计算来估计。根据麦纳（Miner）准则，累积损伤超过1时，达到极限状态。在风力发电机组的寿命期内，累积损伤应不大于1。
式中 ni——荷载特性谱i区段中疲劳循环次数，包括所有荷载情况；
Si——i区段中与循环次数相对应的应力（或应变）水平，包括平均应力和应力幅的影响；
N（·）——至零件失效的循环次数，它是应力（或应变）函数的变量（即S—N特性曲线）；
γm——材料局部安全系数；
γn——重要失效局部安全系数；
γf——荷载局部安全系数。
（1）荷载局部安全系数。正常和非正常设计工况荷载局部安全系数γf=1.0。
（2）无通用设计标准的材料局部安全系数。如S—N曲线存活率为50%，而变异系数小于15%，则材料局部安全系数γm≥1.5；对于大变异系数构件的疲劳强度，即变异系数为15%～20%（如合成物制成的构件，例如钢筋混凝土或合成纤维），局部安全系数γm必须相应地增大，应有γm≥1.7。
对于焊接和结构钢，传统上使用存活率为97.7%的S—N曲线，可取γm=1.1；在进行定期检查可能发现临界裂纹扩展的情况下，可使用γm的较低值；在所有情况下，应γm＞0.9; S—N曲线应基于95%存活率和95%的置信度，这种情况下取γm=1.2。对于其他材料也可使用同样的方法。
（3）重要失效局部安全系数。一类构件γn=1.0，二类构件γn=1.15，三类构件γn=1.3。
2.3.4 稳定性分析
在设计荷载下，非失效—安全承载零部件不允许屈曲失稳，而其他零部件允许产生弹性变形。在特征荷载作用下，任何构件不允许屈曲失稳。
荷载局部安全系数γf的最小值应根据表2-1选取。
2.3.5 临界挠度分析
对于设计或极限荷载情况，应使用特征荷载确定不利方向上的最大弹性变形，并将计算结果乘以荷载局部安全系数、材料局部安全系数和重要失效局部安全系数。
荷载局部安全系数γf由表2-1选取；弹性材料局部安全系数γm=1.1，但当弹性材料特性是由实尺寸试验确定时，γm可减少到1.0。应特别注意几何形状的不确定性和挠度计算方法的准确性。
重要失效局部安全系数：一类构件γn=1.0，二类构件γn=1.0，三类构件γn=1.3。
在风力发电机组设计规范中规定，风力发电机组设计时，应对风力发电机组及其零部件的极限限制状态和使用限制状态进行下列分析：①极限强度；②疲劳；③稳定性；④变形限制；⑤动力学。
风力发电机组零部件的强度分析可以采用应力法，疲劳分析可采用简化疲劳验证法和循环荷载谱的损伤累积法，变形限制分析一般采用传统的方法。当应力、变形和动力性都不能正确确定时，可以采用有限元等数值计算方法计算或其他相应的计算方法。