[发明专利]一种水平轴风力机叶片疲劳损伤与寿命检测结果修正方法有效

专利信息
申请号: 201110328210.X 申请日: 2011-10-25
公开(公告)号: CN102410928A 公开(公告)日: 2012-04-11
发明(设计)人: 石可重;赵晓路;徐建中 申请(专利权)人: 中国科学院工程热物理研究所
主分类号: G01M13/00 分类号: G01M13/00;G06F19/00
代理公司: 暂无信息 代理人: 暂无信息
地址: 100190 北京*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 水平 风力机 叶片 疲劳 损伤 寿命 检测 结果 修正 方法
【说明书】:

技术领域

本发明涉及机械行业风力发电技术领域,尤其涉及一种水平轴风力机叶片的疲劳检测方法。

背景技术

风电叶片疲劳损伤问题是风电叶片设计、制造、运行中所关注的一项重要内容。在风电叶片设计中,一般都要求风电叶片能满足20年的使用寿命。风电机组在非定常载荷作用下的运行特性使其易发生疲劳破坏,严重影响风电机组安全运行的可靠性和使用寿命。而恶劣的工作环境,特殊的材料性质,以及结构与工艺所带来的种种问题,给叶片寿命评估带来相当大的难度。风电叶片疲劳研究涵盖了环境,载荷,结构,材料等多方面的内容,涉及空气动力学、结构动力学、气动弹性理论、疲劳理论、复合材料等许多学科。

导致疲劳破坏的不确定因素很多,疲劳性能很难单纯依赖计算得到,由于风电叶片结构及运行情况的特殊性,其它行业已建立的工程实践经验和知识不能有效的应用到风电机组叶片的性能评估中来。只有进行全尺寸叶片的疲劳测试才能提供对设计的可靠确认。对于新设计、新工艺、新材料的风电叶片,疲劳测试是保证叶片质量关键的一环。通过测试,可以将测量数据与设计的数据进行比较,以掌握叶片的疲劳性能。并且可以利用测试的结果改进与优化结构设计。

风电叶片承受的载荷非常复杂,从疲劳分析角度,可归结为叶片挥舞与摆振两个方向的疲劳载荷。因此,进行疲劳检测时,只有在挥舞、摆振两个方向同时施加疲劳载荷(即双轴加载),才能获得比较准确的疲劳性能,如图3所示。

然而,双轴疲劳检测对试验设备和试验环境要求很高,双轴疲劳加载设备十分昂贵,由于叶片疲劳周期很长,对设备的磨损程度及耗费的动力资源都十分严重,因此采用双轴疲劳方法进行叶片疲劳检测,其经济性很差,目前国际上也只有极少数检测机构具有双轴检测设备,出于成本上的原因,用其进行疲劳检测的使用频率也非常低。

与双轴疲劳检测相对照,单轴疲劳检测具有设备简单,对检测环境要求不高,检测成本低廉的特点,目前国内外的叶片检测机构及叶片企业所采用的绝大多数疲劳检测方式都为单轴疲劳检测。但如前文所述,单轴疲劳检测无法获得叶片准确的疲劳性能。

专利所提供方法,可通过对叶片单轴疲劳检测结果进行相关修正,以达到模拟和评估叶片双轴疲劳检测结果的目的。该方法可利用现有国内外叶片检测设施,采用比较经济的检测方法,获得比较精准的检测效果,具有十分重要与现实的意义。 

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对风力机叶片单轴疲劳测试难以反映叶片实际损伤情况,而双轴疲劳测试设备高昂、运行经济性较差的特点,本发明提出了一种对单轴疲劳检测结果进行修正,模拟出双轴疲劳检测结果的方法,依据该方法进行风力机叶片检测,可在保障检测成本较低的前提下,提高对叶片实际疲劳损伤的评判精度。 

(二)技术方案

根据本发明的一个方面,提供了一种利用数值仿真分析结果对叶片单轴疲劳试验进行修正,以获得更为准确的叶片疲劳性能参数的检测修正方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:

1)采用现有通用的叶片单轴疲劳检测方法,按先后顺序分别对叶片挥舞与摆振方向施加疲劳载荷(F1)与(F2),进行疲劳检测,获取其疲劳性能;

2)采用线性损伤累积理论,对1)中获得的结果进行处理,线性损伤累积理论认为构件在整个疲劳过程中,不同疲劳载荷作用下的损伤性能,可以进行线性叠加,从而获得构件在全部载荷下的损伤性能,因此采用线性损伤累计理论进行构件损伤评估时,不需要考虑加载过程对疲劳损伤的影响。本发明基于线性损伤累积理论这一特点,对1)中(F1)与(F2)载荷作用下两次试验中获得的结果数据进行线性叠加,得到叶片在挥舞与摆振方向载荷先后作用下的疲劳性能;

3)采用数值仿真方法,分别对叶片挥舞与摆振方向进行单轴加载的数值仿真,计算叶片在挥舞与摆振方向的疲劳损伤,得到叶片在分别单独进行挥舞与摆振疲劳载荷加载后的叶片疲劳损伤数值仿真结果;

4)对步骤1)的叶片疲劳损伤试验结果和步骤3)的叶片疲劳损伤数值仿真结果进行相关性分析,对试验与计算中叶片的尺寸结构、材料性能参数进行分析,寻找影响数值计算准确度的因素,进而完善数值计算中的相关尺寸结构、材料性能参数;

5)利用步骤4)中经过完善的尺寸结构、材料性能参数重新进行步骤3)中的数值计算过程,以获得良好的单轴加载数值仿真结果; 

6)采用线性损伤累积方法,将步骤5)中两次单轴加载所计算的叶片疲劳损伤数值仿真结果进行线性叠加;

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