[发明专利]考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法

说明书

本发明公开一种考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法，该方法构建了随机雨场模型，并基于裂纹扩展理论对于风力发电机叶片涂层的疲劳寿命进行计算。本发明创新性地提出了一种考虑雨滴形状、大小、撞击角度、撞击速度的随机雨场模型来模拟雨滴撞击过程，采用光滑粒子流体力学方法与有限元计算方法分析部分雨滴对叶片涂层的撞击应力，运用应力插值方法来计算随机降雨过程中所有雨滴的撞击应力，结合撞击应力对叶片涂层进行疲劳分析，运用应力寿命法计算疲劳裂纹萌生阶段寿命，运用裂纹扩展理论计算疲劳裂纹扩展阶段寿命，通过结合降雨数据的统计，该计算方法可用于计算风力发电机叶片涂层在雨滴侵蚀下的预期疲劳寿命。

技术领域

本发明涉及风力发电机叶片设计领域，尤其涉及一种考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片 涂层疲劳分析方法。

背景技术

目前，风力发电机叶片在使用期间经常受到雨滴、大气颗粒物、冰雹等高相对速度物 体的影响，尤其是在叶尖部分。这些撞击可能导致叶片前缘的损伤与剥落，从而降低风力 发电机的气动性能和功率输出。随着风力发电机在叶尖速度和转子直径上的持续增长，在 设计阶段对于风力发电机叶片涂层在雨滴侵蚀下疲劳寿命预测问题变得更加重要。

在该方面目前缺乏有效的解决方案，本发明结合随机雨场模型、光滑流体动力学、疲 劳裂纹扩展理论进行风力发电机叶片涂层疲劳寿命预测计算。现有的冲击法与能量法计算 雨滴对于叶片涂层的撞击应力存在一定的缺陷，其中冲击法很难考虑雨滴撞击过程中的流 固相互作用，而能量法很难量化从随机雨场到风机叶片涂层的总转移能量。目前对于雨滴 侵蚀下风力发电机叶片涂层的疲劳寿命计算通常是应用应力－寿命曲线和疲劳损伤线性累 积假完成计算，但该方法计算得到的寿命只是局限于疲劳裂纹的萌生期，通常材料发生疲 劳破坏，要经历裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展三个阶段，传统疲劳分析计算方 法无法完整的计算风机叶片涂层疲劳寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片 涂层疲劳分析方法。该方法结合随机雨场模型、光滑流体动力学、疲劳裂纹扩展理论进行 风力发电机叶片涂层疲劳寿命预测计算，通过对于自然降雨状况的有效建模、雨滴撞击叶 片应力的准确分析以及叶片涂层疲劳寿命的全面计算，准确有效地计算了雨滴侵蚀状况下 风力发电机叶片涂层的疲劳寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法，其特征在于，运用随机雨场 模型对自然降雨状况进行有效建模，运用光滑流体动力学与应力插值对雨滴撞击叶片应力 进行准确分析，运用疲劳裂纹扩展理论对叶片涂层疲劳寿命进行全面计算，具体包括如下 步骤：

S1：根据不同的降雨强度I与降雨时长t_s建立若干个随机雨场模型；

S2：运用有限元仿真计算分析不同雨滴撞击叶片产生的应力；

S3：计算随机雨场下涂层所受的撞击应力；

S4：计算不同降雨强度I下叶片涂层疲劳寿命t_I；

S5：统计全年降雨时长t_A与各个降雨强度出现的概率P_I：

S6：重复步骤S3、S4获得多个不同降雨强度I下叶片涂层疲劳寿命，根据S4、S5的计算结果，运用下述公式计算风力发电机叶片涂层疲劳寿命t_f

进一步地，所述的S1具体为：首先随机雨场中的雨滴个数k，然后确定每个雨滴的参 数，包括每个雨滴的直径、雨滴的形状、雨滴撞击角度θ和雨滴撞击位置，根据k个雨滴的相关属性，构建随机雨场模型；

其中，

(1)所述的雨滴个数k通过下式计算得到：