[发明专利]一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法和装置

说明书

本发明提供一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法和装置，利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变；基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数；基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测，采用叶片有限元模型得到叶片单位载荷作用下各截面段产生的最大应变，避免使用复杂的非线性疲劳损伤模型，大大简化了预测过程，且由于考虑了叶片单位载荷作用下各截面段产生的最大应变，提高了预测结果准确性和预测精度，同时本发明具有较强的通用性，适用于叶片中蒙皮、主梁、腹板等不同位置材料的疲劳寿命预测。

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法和装置。

背景技术

风电机组是将风能有效转化为电能的大型设备，认证标准规定的设计寿命为20年，所以风电机组的疲劳寿命分析至关重要。叶片作为风电机组重要的结构部件，所处工作环境十分恶劣，承受着复杂的随机变幅载荷，很容易发生疲劳破坏，从而导致风轮乃至整个风电机组失效停机。为了提高风电机组在使用时的可靠性，风电机组叶片是风电机组中最为重要的部件有必要对叶片的疲劳寿命进行预测。

叶片疲劳是指叶片在交变载荷作用下损伤不断累积、性能不断降低、直到不能抵抗外载荷而发生断裂的一种叶片失效形式，损伤作为描述叶片疲劳过程中的重要变量，它的确定是计算材料疲劳寿命的关键。

当前风电机组可靠性设计领域的研究中最为常用的是线性疲劳损伤累积理论，由于其形式简单、计算方便，在工程中被广泛应用，但该理论是在一定的假设下提出的，没有考虑载荷间的相互作用效应的影响，认为处于不同损伤阶段具有相同幅度的循环应力，对材料造成相同的损伤。目前一般通过以下几种方式对风电机组叶片疲劳寿命进行预测：1)采用非线性疲劳损伤模型对多轴载荷下机械部件的等效应力进行计算，虽然在一定程度上提高了等效应力的计算精度以及机械部件疲劳寿命的估算精度，但是预测过程复杂；2)以片条理论为基础求得了叶片部位气动载荷分布情况，并采用基于线性疲劳损伤累计理论的玻璃钢风机叶片安全寿命估计方法，但由于其忽略了随机变幅载荷作用过程中载荷间相互作用效应对疲劳损伤的影响，预测结果准确性低。

发明内容

为了克服上述现有技术中预测过程复杂和预测结果准确性低的不足，本发明提供一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法，包括：

利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变；

基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数；

基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测。

所述叶片有限元模型的构建，包括：

采用三维软件建立叶片三维模型，并通过铺层软件将叶片的铺层信息映射到叶片三维模型上，之后通过铺层软件输出铺层文件；

采用壳单元将叶片三维模型进行网格划分，并通过有限元软件对得到的网格进行部件组合和合并自由边，形成叶片网格模型；

将铺层文件导入叶片网格模型，形成叶片有限元模型。

所述基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数，包括：

采用载荷计算软件计算叶片疲劳载荷马可夫矩阵；

基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值；

基于马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值计算叶片的许用载荷循环次数；

基于叶片的许用载荷循环次数计算载荷对叶片产生的损伤；

基于载荷对叶片产生的损伤计算叶片疲劳剩余强度系数。