CN106933780A

CN106933780A - 一种风力发电机叶片疲劳寿命的计算方法

Info

Publication number: CN106933780A
Application number: CN201710192059.9A
Authority: CN
Inventors: 张晓毅; 李珏煊; 何建; 王虎; 贺惠民
Original assignee: STATE GRID JIBEI ENERGY-SAVING SERVICES Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Current assignee: STATE GRID JIBEI ENERGY-SAVING SERVICES Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2017-07-07

Abstract

本发明提供一种风力发电机叶片疲劳寿命的计算方法，通过对叶片材料进行静态和疲劳抗弯实验，得到叶片材料的静态抗弯力学性能以及疲劳寿命，进而通过给定的模型来确定叶片材料在不同周期性挠度载荷作用下风力发电机叶片的疲劳寿命。本发明采用二参数Weibull分析与故障概率相结合的方法，克服了由于现有技术中经验公式形式的选取对预估结果的不确定性，从而得到更为精确的叶片疲劳使用寿命，为风力发电机叶片的稳定运行提供依据。

Description

一种风力发电机叶片疲劳寿命的计算方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机叶片疲劳寿命的计算方法。

背景技术

众所周知，纤维增强层状复合材料由于具有高的比强度、耐腐蚀性以及出色的抗疲劳特性而被广泛的应用于风力发电机叶片结构中。玻璃纤维是目前使用最广泛的一种，然而由于碳纤维的出色的力学性能，使其在风力发电机叶片结构中受到越来越多的重视。服役中的风力发电机叶片通常承受诸如空气动力、重力以及惯性力等不同的载荷。空气动力和重力在风力发电机工作中会使叶片的结构产生周期性的应力分布，进而导致叶片形成弯曲疲劳——一种风机叶片服役中不可忽视的破坏模式。由于碳纤维增强层状复合材料各向异性的材料特性，材料的疲劳寿命表现出不确定性。现有的解决方案都是采用经验公式来进行疲劳寿命的预估，而经验公式形式的选择会直接影响到预估结果的准确性，无法准确的预测风力发电机叶片的疲劳寿命。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种预测风力发电机碳纤维增强层状复合材料叶片材料疲劳寿命的方法，该方法将统计学二参数Weibull分析方法与故障概率相结合来预估风力发电机叶片的疲劳寿命，从而为风力发电机叶片的稳定运行提供依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

步骤一：首先对风力发电机叶片材料进行静态抗弯实验来获得叶片材料的力学性能；

步骤二：采用周期性挠度(CDL)控制对叶片材料进行疲劳抗弯实验，定义无量纲化的周期性挠度γ_c，建立统计方程，公式具体如下：

式中α为形状参数，β为缩放参数。

步骤三：要计算步骤二公式中的α和β，同时还需要计算故障概率P_f；

步骤四：验证分析结果的可靠性；

步骤五：将实验获得的α和β的值带入到步骤二的公式中，即可得到在不同的周期性挠度载荷条件下风力发电机叶片材料的疲劳寿命如下：

其中，本发明所使用的叶片材料为碳纤维增强层状复合材料；

进一步地，在步骤一中可以确定复合材料叶片的刚度(E₁)和破坏时的挠度(SFD)；

其中，在步骤二中规定疲劳故障发生在某一个周期载荷内叶片材料刚度降低到一个指定值；进一步地，在步骤二中刚度降低的指定值可以达到25％；

其中，在步骤二中，γ_c为无量纲化的周期性挠度(CDL/SFD)可以表示为如下公式：

其中A₁、A₂、N₀和ΔN是常数，可以通过γ_c对log(N)在不同故障概率之间的关系进行拟合获得；

进一步地，所采用的参数确定方法为非线性回归分析。

其中，在步骤三中，累计分布函数F(N_i)可以用如下形式表示：

其中k是在给定的γ_c下的测试的叶片材料的数量；

进一步地，在步骤三中采用多元非线性回归分析确定α和β的值；

其中，在步骤四中，使用Kolmogorov-Smirnov检验来验证分析结果的可靠性：

其中D是拟合度，N_i是第i个样品的疲劳寿命(升序排列)，当D小于临界值D_c时，结果可靠；

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，通过建立二参数Weibull分析与故障概率相结合的方法对风力发电机叶片的使用寿命进行确定，补充了现有技术对风力发电机叶片材料使用寿命估计的不足，进一步提高了电力系统的稳定性。

附图说明

下面根据实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

图1本发明实施例所述风力发电机碳纤维增强层状复合材料叶片在不同的周期性挠度条件下的抗弯疲劳寿命分布；

图2本发明实施例所述风力发电机碳纤维增强层状复合材料叶片所受周期性挠度与疲劳寿命的实验点与模型结果对比图。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种风力发电机叶片疲劳寿命的计算方法，其具体技术方案如下所述：

首先对风力发电机叶片碳纤维增强层状复合材料进行静态抗弯实验来获得叶片的刚度(E₁)和破坏时的挠度(SFD)；

其次采用周期性挠度(CDL)控制对该叶片材料进行疲劳抗弯实验，在此规定疲劳故障发生在某一个周期载荷内叶片材料刚度降低到一个指定值(例如：21％)，定义γ_c为无量纲化的周期性挠度(CDL/SFD)，建立统计公式，公式具体如下：

式中α为形状参数，β为缩放参数。采用多元非线性回归分析确定α和β的值。

进一步地，上述公式可以表示成如下自然对数的形式(如图1所示)：

ln(-ln(1-F(N)))＝αln(N)-αln(β)。

图1中实验结果用符号表示，其中方块符号代表γ_c＝0.91时风力发电机碳纤维增强层状复合材料叶片抗弯疲劳寿命分布，三角形符号代表γ_c＝0.84时风力发电机碳纤维增强层状复合材料叶片抗弯疲劳寿命分布，星形符号代表γ_c＝0.71时风力发电机碳纤维增强层状复合材料叶片抗弯疲劳寿命分布，菱形符号代表γ_c＝0.65时风力发电机碳纤维增强层状复合材料叶片抗弯疲劳寿命分布，圆形符号代表γ_c＝0.58时风力发电机碳纤维增强层状复合材料叶片抗弯疲劳寿命分布，线条代表模型结果。

接下来要计算α和β，还需要计算故障概率P_f，数学上，累计分布函数F(N_i)可以用如下形式表示：

其中k是在给定的γ_c下的测试的叶片材料的数量。

进一步地，无量纲化的周期性挠度γ_c可以用下面的公式进行估计(如图2所示)：

其中A₁、A₂、N₀和ΔN是常数，可以通过γ_c对log(N)在不同故障概率之间的关系进行非线性回归分析获得。

图2中实验结果用符号表示，其中方块符号代表P_f＝0.5时风力发电机碳纤维增强层状复合材料叶片所受周期性挠度与疲劳寿命的关系，三角形符号代表P_f＝0.632时风力发电机碳纤维增强层状复合材料叶片所受周期性挠度与疲劳寿命的关系，星形符号代表P_f＝0.95时风力发电机碳纤维增强层状复合材料叶片所受周期性挠度与疲劳寿命的关系，线条代表模型结果。

同时使用Kolmogorov-Smirnov检验来验证分析结果的可靠性，验证公式如下：

其中D是拟合度，N_i是第i个样品的疲劳寿命(升序排列)，当D小于临界值D_c时(例如：0.45)，结果可靠(置信度95％)。

最后将实验获得的α和β的值带入到步骤二的公式中，即可得到在不同的周期性挠度载荷条件下风力发电机碳纤维层状复合材料叶片材料的疲劳寿命如下：

由图2可知，本发明提供的技术方案可以很好的预测材料的使用寿命。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种风力发电机叶片疲劳寿命的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对风力发电机叶片材料进行静态抗弯实验获得叶片材料的力学性能；

步骤二：采用周期性挠度控制对叶片材料进行疲劳抗弯实验，定义无量纲化的周期性挠度γ_c，建立统计公式，公式具体如下：

F (N) = 1 - \exp (- {(\frac{N}{β})}^{α})

式中α为形状参数，β为缩放参数；

步骤三：通过实验计算步骤二公式中的形状参数α和缩放参数β，同时计算故障概率P_f；P_f计算方式如下：

F (N_{i}) = P_{f} = \frac{i - 0.3}{k + 0.4}

其中k是在给定的γ_c下的测试的叶片材料的数量；

步骤四：验证分析结果的可靠性，验证公式如下：

D = {m a x (| \frac{i}{k} - F (N_{i}) |)}_{i}^{k}

其中D是拟合度，N_i是第i个样品的疲劳寿命，当D小于临界值D_c时，结果可靠；

步骤五：将实验获得的α和β的值带入到步骤二的公式中，即可得到在不同的周期性挠度载荷条件下风力发电机叶片材料的疲劳寿命，具体公式如下：

N = \exp (\frac{l n (- l n (1 - P_{f})) + α l n (β)}{α})

其中N为叶片材料的疲劳寿命。

2.根据权利要求1中所述的风力发电机叶片的疲劳寿命的计算方法，其特征在于，叶片材料为碳纤维增强层状复合材料。

3.根据权利要求1中所述的一种风力发电机叶片的疲劳寿命的计算方法，其特征在于：在步骤一中确定叶片的刚度(E₁)和破坏时的挠度(SFD)。

4.根据权利要求1中所述的一种风力发电机叶片的疲劳寿命的计算方法，其特征在于：在步骤二中规定疲劳故障发生在某一个周期载荷内叶片材料刚度降低到一个指定值。

5.根据权利要求1中所述的一种风力发电机叶片的疲劳寿命的计算方法，其特征在于：在步骤二中，γ_c为无量纲化的周期性挠度，可以表示为如下公式：

γ_{c} = \frac{A_{1} - A_{2}}{1 + \exp (\frac{\log (N) - N_{0}}{Δ N})} + A_{2}

其中A₁、A₂、N₀和ΔN是常数，可以通过γ_c对log(N)在不同故障概率之间的关系进行拟合获得。

6.根据权利要求1中所述的一种风力发电机叶片的疲劳寿命的计算方法，其特征在于：在步骤三中采用多元非线性回归分析确定α和β的值。

7.根据权利要求4中所述的一种风力发电机叶片的疲劳寿命的计算方法，其特征在于：刚度降低的指定值可以达到25％。

8.根据权利要求5中所述的一种风力发电机叶片的疲劳寿命的计算方法，其特征在于：所采用的参数确定方法为非线性回归分析。