[发明专利]基于曲折闪电打击与疲劳损伤的风机叶片优化设计方法

说明书

本发明公开一种基于曲折闪电打击与疲劳损伤的风机复合叶片优化设计方法，该方法对于风力发电机复合材料叶片进行了真实闪电打击的静电学分析与疲劳分析保证其设计可靠性，并结合叶片的成本进行最优化设计。本发明创新性地提出了参数化曲折闪电步进导闪模型来模拟自然界真实的闪电现象，并提出了闪电打击导致的介质击穿失效与非比例多轴疲劳失效的计算公式，优化计算后可以得到复合材料中各层材料的最佳厚度，在保证整体成本不会过高的情况下，有效地提升风力发电机复合材料叶片的闪电安全系数与叶片预期寿命。

技术领域

本发明涉及风力发电机叶片优化领域，尤其涉及一种基于曲折闪电打击与疲劳损伤的风机复合叶片优化设计方法。

背景技术

目前，闪电打击造成的叶片损伤占风力发电机失效的23.4％，而疲劳损伤是户外复合材料结构的主要失效形式，故闪电打击与疲劳损伤的分析对于风力发电机复合材料叶片非常重要。在该方面目前缺乏有效的解决方案，本发明结合参数化曲折闪电步进导闪模型与非比例多轴疲劳失效进行风力发电机复合材料叶片的优化设计。现有的简易垂直直线型闪电模型并没有体现真实闪电的曲折性。传统的疲劳损伤计算中，为计算风力发电机复合叶片的等效应力/应变推导出计算公式，根据应力－寿命曲线和疲劳损伤线性累积假说，运用该公式进行疲劳损伤/寿命预测。该疲劳损伤计算方法没有获取风机复合叶片的详细疲劳损伤与寿命分布轮廓，同时没有考虑复杂载荷调节下的非比例多轴应力状况，计算不准确。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的风力发电机复合材料叶片易受闪电打击与叶片预期寿命较低的特点，提出了一种基于曲折闪电打击与疲劳损伤的风机复合叶片优化设计方法，该方法结合曲折闪电打击与疲劳损伤计算。本发明通过对于自然闪电的有效建模与疲劳损伤的准确计算，有效地提升了风力发电机复合材料叶片的闪电安全系数与叶片预期寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于曲折闪电打击与疲劳损伤的风机复合叶片优化设计方法，其特征在于，该方法考虑曲折闪电打击带来的介质击穿现象以及非比例多轴复杂应力状况下的疲劳损伤，具体包括如下步骤：

S1：将风力发电机复合材料叶片划分为叶片根部、叶片前缘、抗剪腹板前区域、翼梁帽、抗剪腹板后区域、叶片后缘、叶尖七个部分，并将每个部分划分为多个嵌板；确定设计变量个数，每个设计变量对应若干个嵌板；

S2：建立曲折闪电步进导闪模型；

S2.1：在球坐标系中，根据方位角θ、相邻两线段的夹角φ、每段线段的长度ρ_C三个参数创建新线段，并计算曲折闪电步进导闪尖端与风机叶片尖端的距离；然后根据峰值电流I_peak，计算闪电打击距离其中，θ的取值遵循0～360°的均匀分布，φ的取值遵循平均值为180°的高斯分布，ρ_C的取值遵循80m～100m的均匀分布，I_peak的取值遵循对数正态分布；

S2.2：当曲折闪电步进导闪尖端与风机叶片尖端的距离小于Ls时，认为闪电步进导闪有效，即认为峰值电流I_peak有效，进入步骤S3，若无效，则进入步骤S2.3；

S2.3：若曲折闪电步进导闪尖端距离地面的高度低于风机轮毂中心高度，则重复S2，创建新的曲折闪电步进导闪模型，否则，重复S2.1，在当前曲折闪电步进导闪模型中创建新线段；

S3：获得风力发电机叶片周围电场情况，根据计算沿着风机叶片的电场强度；

S4：判断曲折闪电步进导闪模型建立的个数，当不小于1000个时，计算沿着风机叶片的平均电场强度；若小于1000个时，则返回S2；

S5：通过下述分别计算介质击穿强度E_b和闪电安全系数L(x)

E_b＝5.3·10⁴/d+8.0·10⁶