CN102410928B - 一种水平轴风力机叶片的疲劳检测方法 - Google Patents

Abstract

一种水平轴风力机叶片的疲劳检测方法，采用线性损伤累积理论，对现有通用的单轴疲劳检测得到的结果进行处理，获得叶片在挥舞与摆振方向载荷共同作用下的疲劳性能；采用数值仿真方法分别计算两个单轴的疲劳寿命并对两计算结果进行损伤累积；采用数值方法双轴同时加载进行计算，获得该情况下疲劳性能；分析比较单轴、双轴同时加载两种疲劳损伤计算所获得的疲劳参数，建立单轴加载、损伤累积计算与双轴加载计算结果的数学关系,将该数学关系，引入到叶片单轴疲劳试验并对试验结果进行修正，得到双轴疲劳性能。通过以上修正达到采用低成本的单轴疲劳检测手段，获得更为准确的叶片疲劳性能的目的。

Description

一种水平轴风力机叶片的疲劳检测方法

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。 

本专利所提供方法，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；

7）同样利用步骤4）中经过完善的尺寸结构、材料性能参数，采用数值仿真方法对叶片在挥舞与摆振方向同时加载疲劳载荷的情况进行双轴加载的数值仿真，计算叶片的疲劳损伤，获得在该种情况下的叶片疲劳损伤数值仿真结果；

8）分析比较步骤6）的单轴疲劳加载数值仿真结果的线性叠加结果和步骤7）的双轴疲劳加载数值仿真结果，建立二者之间的数学关系；

9）将步骤8）中所建立的数学关系，引入到步骤2) 中，对步骤2）中获得的叶片在挥舞与摆振方向疲劳载荷先后作用下的疲劳损伤试验结果进行修正，得到模拟叶片同时施加挥舞与摆振方向疲劳载荷（F1、F2）情况下叶片的双轴疲劳损伤结果。

优选的，采用该方法进行叶片疲劳寿命分析，其前提在于分别对叶片挥舞与摆振方向进行单轴疲劳检测，获取各自方向疲劳加载下的疲劳性能。 

优选的，需采用线性损伤累积理论，对单轴疲劳检测结果进行处理，获得在两种载荷先后作用下的叶片疲劳性能； 

优选的，采用数值仿真手段建立叶片在单轴疲劳加载与双轴疲劳加载情况下疲劳性能的数学关系。

优选的，通过进行检测与计算的相关性分析，用以完善数值仿真过程及结果； 

优选的，将数值仿真所获得的叶片单轴疲劳加载与双轴疲劳加载情况下疲劳性能的数学关系，应用于对叶片单轴疲劳检测结果的修正；模拟出叶片双轴疲劳检测的结果。

优选的，为了使计算结果更为精确，采用有限元数值技术进行叶片结构的疲劳数值仿真。 

优选的，为了准确反应大型叶片在疲劳载荷作用下的寿命情况，在数值仿真分析中，采用了非线性分析方法。 

 （三）有益效果 

本发明与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著优点： 

1）与现有单轴疲劳检测方法对叶片性能的评估相比，采用该方法可保证性能评估更准确。 

2）与双轴疲劳检测技术相比，采用该方法对检测设备与环境的要求较低，能满足当前大多数检测机构和叶片企业的条件要求，且检测成本相对双轴检测大大降低。 

附图说明

图1为叶片挥舞方向单轴疲劳检测的加载示意图； 

图2为叶片摆振方向单轴疲劳检测的加载示意图；

图3为叶片双轴疲劳检测的加载示意图。

其中，1.叶片，2.试验夹具，F1.叶片挥舞方向施加的疲劳载荷， 

F2.叶片摆振方向施加的疲劳载荷。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。 

本实施例中，以当前主流的MW级风力机叶片为例，采用以下步骤进行检测和结果修正： 

1）如图1、图2所示，采用现有通用的叶片单轴疲劳检测方法，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，获取两种情况下的疲劳性能；

2）采用线性损伤累积理论，对1）中获得的结果进行处理，获得叶片在上述两种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（即单轴加载）进行疲劳寿命评估，分别获取两种载荷各自作用下的叶片疲劳损伤数值仿真结果；

4）对步骤1）、3）进行检测与计算的相关性分析，完善计算中的相关材料、结构性能等参数，进而对步骤3）的计算过程及结果进行完善；并采用线性损伤累计理论，获取在两种载荷先后作用下的叶片疲劳损伤数值仿真结果； 

5）利用步骤4）中经过完善的叶片材料、结构参数，采用数值仿真方法对叶片在挥舞与摆振方向同时共同加载情况（即双轴加载）进行疲劳寿命分析，获得在该种情况下的叶片疲劳性能（如图3所示）；

6）分析比较4）、5）两种疲劳损伤计算方法所获得的结果，建立叶片采用单轴加载的线性损伤累积计算方法与双轴加载计算方法性能结果的数学关系，在本实例中，所建立的数学关系为两种计算方法所获得的叶片损伤及寿命计算结果的数值比例；

7）将6）中所建立的数学关系，对2）中的检测结果进行修正，即将6）中得到的数值比例，去乘以2）中经过线性累积后得到的疲劳检测损伤与寿命结果，得到模拟叶片同时施加挥舞与摆振方向疲劳载荷（双轴加载）情况下叶片的双轴疲劳性能。

 通过以上步骤实施，利用目前普遍使用的风力机单轴疲劳测试设备，结合数值仿真计算，获得了可以描述叶片双轴疲劳的性能参数。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种水平轴风力机叶片的疲劳检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1）采用现有通用的叶片单轴疲劳检测方法，分别对叶片挥舞与摆振方向施加疲劳载荷（F1、F2），进行单轴加载的疲劳检测，获取两种疲劳载荷下的叶片疲劳损伤试验结果；

2）采用线性损伤累积方法，对步骤1）中获得的叶片疲劳损伤试验结果进行处理，将挥舞与摆振方向疲劳载荷（F1、F2）分别作用下的疲劳损伤试验结果进行线性叠加，获得叶片在挥舞与摆振方向疲劳载荷共同作用下的疲劳损伤试验结果；

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；

7）同样利用步骤4）中经过完善的尺寸结构、材料性能参数，采用数值仿真方法对叶片在挥舞与摆振方向同时加载疲劳载荷的情况进行双轴加载的数值仿真，计算叶片的疲劳损伤，获得在该种情况下的叶片疲劳损伤数值仿真结果；

8）分析比较步骤6）的单轴疲劳加载数值仿真结果的线性叠加结果和步骤7）的双轴疲劳加载数值仿真结果，建立二者之间的数学关系；

9）将步骤8）中所建立的数学关系，引入到步骤2) 中，对步骤2）中获得的叶片在挥舞与摆振方向疲劳载荷共同作用下的疲劳损伤试验结果进行修正，得到模拟叶片同时施加挥舞与摆振方向疲劳载荷（F1、F2）情况下叶片的双轴疲劳损伤结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用该方法进行叶片疲劳寿命的分析与评估，其前提在于分别对叶片挥舞与摆振方向进行单轴疲劳检测，获取各自方向疲劳加载下的疲劳性能。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，需采用线性损伤累积方法对单轴疲劳试验结果进行处理，获得叶片在挥舞与摆振方向载荷共同作用下的疲劳性能。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数值仿真方法为有限元数值分析方法。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了准确反应叶片在疲劳载荷作用下的寿命情况，在数值仿真分析中，采用了非线性分析方法。

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