CN107223206B - 疲劳测试 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对诸如风力涡轮机叶片等细长样本进行疲劳测试的方法，所述方法包括：响应于与样本相关联的至少一个应变时程，计算所述细长样本的至少一个相应第一部段上的一个或多个位置处的使用寿命损害总和；确定可单独地应用于所述样本的多个预定测试块中的每一个在所述一个或多个位置处的预测测试损害总和；以及基于所述一个或多个位置中的每一个位置的所述预测测试损害总和与所述使用寿命损害总和的比较来选择与所述多个预定测试块相关联的至少一个测试块，其中，所述选择的至少一个测试块可应用于所述样本以使得在所述一个或多个位置中的每一个位置处的测试损害总和至少大体上与在所述一个或多个位置中的每一个位置处的所述使用寿命总和相匹配。

Description

疲劳测试
技术领域
本发明涉及对诸如风力涡轮机叶片等细长样本进行测试。尤其是，但并非限于，本发明涉及对诸如风力涡轮机叶片等细长样本进行双轴线疲劳测试。
当前风力涡轮机行业内存在朝着较大风力涡轮机发展的趋势，以便减小风力涡轮机在安装、维修和网格连接上的成本对由风力涡轮机转换的能量的总成本的影响。为此，设计并且生产了较长且较大的叶片来从风中捕获更多的能量，其中，一些叶片超过75mm长。尺寸增加导致叶片在使用中所受负载增加。叶片是涡轮机最重要的部件之一，因此所有新的叶片设计在投放市场之间均要进行全面的测试，以确保其在运行时不会出现故障。
主要有两种风力涡轮机叶片测试：静态测试和动态疲劳测试。静态测试证明叶片可以承受在运行中遇到的极端负载，而疲劳测试证明叶片可以在涡轮机的设计寿命内保持完好。
照惯例，将绞盘或者线性致动器附接至叶片以通常在四个不同方向上对叶片施力，同时在叶片表面限定点处测量应变。通常，将叶片水平定向，并通过用螺栓将其根部连接至合适的固定测试床而在所有方向上将其束缚。然后沿着叶片在期望位置处和期望方向上对叶片施加负载。垂直于叶片的纵向轴线并且大体上垂直于翼型件的翼弦所施加的一种负载被称为翼面向负载。同样垂直于叶片的纵向轴线并且大体上平行于翼型件的翼弦所施加的另一种负载被称为沿边负载。这些测试可以是静态测试或者动态测试，以分别确定叶片的刚度和强度或其疲劳性能。
另一种已知的测试是使叶片在其根部处从固定测试床上悬臂似的伸出并且使得叶片在自然频率模式下共振。为了使叶片共振，已知的是在翼面向方向或者沿边方向上施加正弦负载以在一个或多个位置处激励该叶片，该一个或多个位置选择成使得所产生的模态形状导致沿着叶片长度与期望负载更加匹配。计算这些负载，以使得在给定循环次数(通常约为一百万次循环)之后发生与预测叶片使用寿命(通常为约20年)期间会发生的损害量相等的损害量。
叶片的共振减少了会对叶片施加例如弯曲或者横向负载所需能量的量。因此，共振激励是对风力涡轮机叶片进行疲劳测试的理想方法。然而，该测试通常受限于其上安装有所有测试装备的叶片的第一自然频率。此外，随着叶片的长度和质量的增加，循环疲劳测试期间出现的力、偏转、以及气动阻尼全都增加，并且叶片的共振频率也会减小，从而导致该测试花费更长时间且相关成本增加。
此外，通常在翼面向方向和沿边方向上均对风力涡轮机叶片进行疲劳测试，并且这些测试单独进行，其中，每个方向通常为约一百万次循环至五百万次循环。然而，在运行中，该两个负载一起出现，因此该测试方法不代表现实运行条件并且需要大量时间和成本。对于特别大的叶片，测试程序可能花费一年以上，因此，需要一种减少测试时间的测试方法。
常规的双轴线测试方法是强迫位移测试，其中，通过附接至固定结构的线性致动器在翼面向方向和沿边方向上使叶片受负载。可使所施负载负载之间具有适当的相位角，这解决了过度测试的问题，但由于施加负载的频率与叶片的自然频率有很大差别，所以该负载实际上是准静态的。这意味着叶片的超出圆筒附接点的部分是无载的，并且根部与圆筒之间的弯曲力矩分布是线性的。在实践中，这意味着仅仅可以在叶片跨度的一小部分上实现目标负载。除了这些问题之外，所需要的高负载和位移意味着使用了大量能量且初始资本成本也非常高。为此，随着叶片尺寸的增加，强迫位移测试就变得越来越无吸引力。
混合激励系统(如US2006/0037402中公开的)使用共振激励来对叶片施加襟翼负载，并且使用强迫位移来对叶片施加沿边负载。可以通过利用附加静态质量更改叶片的模态形状来对翼面向方向上的弯曲力矩分布进行微调，因此利用恰当的负载在叶片跨度的更大部分上对叶片进行测试。然而，沿边负载仍具有上述相同问题，并且该方法对于较大叶片而言不可行。例如，横向致动器和共振致动器均较大且笨重，并且共振致动器包括较大往复质量来使叶片振动，就所需质量而言，这不适合较大叶片。此外，如果共振致动器的重心从叶片的轴线上偏移，则会在叶片上强加不切实际的力矩，尤其是当由横向致动器移动时。
另一常规测试方法涉及通过使用每一端处具有球形接头的推杆来在与翼面向方向分离的沿边方向上额外增加质量。这会使沿边频率减少至与翼面向频率相同的水平，从而可以在相同频率下施加两个负载，其中，负载间具有恰当的相位角。然而，与该方法相关的问题是，要花费大量时间来进行建立，这是因为支撑附加质量的框架为较大结构，需要将该较大结构沿着叶片的长度移动并且固定在最佳位置。
此外，需要附接至相对较大叶片所需要的质量的大小意味着该方法不太灵活并且不能测试较大叶片。
发明内容
本发明的目的是至少部分地缓解上述问题。
本发明的某些实施例的目的是提供一种用于测试细长样本(诸如，风力涡轮机叶片)的方法，该方法能够以受控且实际的方式同时对样本施加沿边疲劳负载和翼面向疲劳负载以便模拟现实运行条件。
本发明的某些实施例的目的是提供一种用于测试细长样本(诸如，风力涡轮机叶片)的方法，该方法根据在不同的双轴线测试条下在测试样本上的一个或多个位置处积聚的损害量来确定最佳双轴线测试条件。
本发明的某些实施例的目的是提供一种用于测试细长样本(诸如，风力涡轮机叶片)的方法，该方法确定在测试期间且“忙碌时”在测试样本上的一个或多个位置处积聚的损害量，以便允许对测试设置和负载水平做出调节，这会改变损害在样本周围积聚的方式。
本发明的某些实施例的目的是提供一种用于测试细长样本(诸如，风力涡轮机叶片)的方法，该方法使得与使用寿命损害更加匹配，同时仍保持共振测试的益处。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于对细长样本进行疲劳测试的方法，该方法包括：
响应于与样本相关联的至少一个应变时程，计算细长样本的至少一个相应第一部段上的一个或多个位置处的使用寿命损害总和；
针对可单独地适用于样本的多个预定测试块中的每一个确定在一个或多个位置处的预测测试损害总和；以及
基于一个或多个位置中的每一个的预测测试损害总和与使用寿命损害总和的比较来选择与多个预定测试块相关联的至少一个测试块，其中所选择的至少一个测试块适用于样本以便使得在一个或多个位置中的每一个位置处的测试损害总和至少大体上与在一个或多个位置中的每一个位置处的使用寿命总和相匹配。
适当地，该方法进一步包括：
计算细长样本的至少一个相应第一部段上的多个间隔开的位置中的每一个位置处的使用寿命损害总和。
适当地，多个预定测试块中的每一个至少由具有第一循环负载幅值的第一循环负载以及用于将所述第一循环负载施加于样本的第一测试持续时间来限定。
适当地，第一循环负载可在相对于样本的纵向轴线大体上垂直的方向上施加于该样本。
适当地，多个预定测试块中的每一个进一步由具有又一循环负载幅值的又一循环负载以及用于将所述又一循环负载施加于样本的又一测试持续时间来限定。
适当地，又一循环负载可在相对于样本的纵向轴线大体垂直的方向上施加于该样本。
适当地，第一循环负载大体上垂直于又一循环负载。
适当地，第一测试持续时间大体上等于又一测试持续时间。
适当地，多个预定测试块中的每一个进一步由相对于该样本的纵向轴线的样本的节距角来限定。
适当地，该方法进一步包括：
为多个预定测试块确定一个或多个位置中的每一个位置处的预测损害总和，其中，每个预定测试块由相应测试持续时间、相对于该样本的纵向轴线的样本的节距角、翼面向负载幅值(flapwise load amplitude)、以及沿边负载幅值来限定。
适当地，样本包括在固定端部处全部自由度均受到约束的悬臂式细长样本。
适当地，样本包括具有翼弦轴线的翼型截面，并且第一循环负载是可大体上垂直于该翼弦轴线施加的翼面向循环负载，而又一循环负载是可大体上平行于该翼弦轴线施加的沿边循环负载。
适当地，第一循环负载和又一循环负载分别包括分别具有相应弯曲力矩幅值的第一弯曲力矩和又一弯曲力矩。
适当地，样本包括在叶片的根端处受到约束的风力涡轮机叶片。
适当地，至少一个测试块选自多个预定测试块。
适当地，该方法进一步包括：
确定与多个预定测试块相关联的多个所述测试块的组合，其中，当将所述测试块应用于样本时，所述组合使得在一个或多个位置中的每一个位置处的测试损害总和至少大体上与在一个或多个位置中的每一个位置处的使用寿命损害总和相匹配。
适当地，该方法进一步包括：
响应于应用基于约束最小二乘的优化例程(constrained least-squares basedoptimisation routine)来确定待应用于样本的所述测试块的组合，以便将预测损害总和与一个或多个位置的使用寿命损害总和进行比较。
适当地，该方法进一步包括：
以物理方式将至少一个测试块应用于样本。
适当地，该方法进一步包括：
在将至少一个测试块应用于测试样本的同时，确定在一个或多个位置处的测试损害总和。
适当地，该方法进一步包括：
基于与样本的第一部段相关联的至少一个负载时程和与样本相关联的至少一个循环测试块，生成样本的至少一个第一部段上的一个或多个位置的至少一个应变时程。
适当地，该方法进一步包括：
响应于对至少一个应变时程进行疲劳分析使用线性损害算法计算在一个或多个位置处的使用寿命损害总和。
适当地，该方法进一步包括：
响应于将循环计数算法应用于至少一个应变时程来将至少一个应变时程的可变幅值减小为恒定幅值。
适当地，样本的至少一个部段包括多个间隔开的部段，该多个间隔开的部段沿着细长样本的长度定位并且相对于样本的纵向轴线垂直定向，每个部段具有相应的一个或多个位置。
适当地，一个或多个位置布置在样本的外表面上。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于对细长样本进行疲劳测试的系统，该系统包括：
用于执行根据本发明的第一方面的方法的控制器；以及
在操作上与控制器相关联以将所选择的至少一个测试块应用于细长样本的设备。
适当地，至少一个测试块包括：在第一方向上施加于细长样本的第一循环负载，以及在又一方向上施加于细长样本的又一循环负载。
适当地，第一方向和又一方向大体上彼此垂直。
适当地，第一方向和又一方向分别大体上垂直于样本的纵向轴线。
适当地，系统包括至少一个传感器，该至少一个传感器在操作上与样本和控制器相关联。适当地，至少一个传感器包括应力和/或应变仪、加速计、位移传感器、激光器、以及摄像机中的一个或多个。
适当地，控制器包括计算装置，该计算装置包括一个或多个处理器。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括指令，当在计算机上进行执行指令时，该指令控制计算机执行根据本发明的第一方面的方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品上储存根据本发明的第三方面的计算机程序。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于对细长样本进行疲劳测试的方法，该方法包括：
响应于与所述位置相关联的应变时程，来计算细长样本上的至少一个位置的使用寿命损害总和；
响应于应用于样本的多个测试块中的每一个，来确定在所述位置处的预测损害总和；以及
选择所述多个测试块中的测试块将其应用于测试样本，以使在所述位置处的测试损害总和大体上与所述位置的确定的使用寿命损害相匹配。
根据本发明的第六方面，提供了一种用于对细长样本进行疲劳测试的方法，该方法包括：
响应于在使用寿命情况下与所述位置相关联的应变时程，来计算细长样本上的至少一个位置的使用寿命损害总和；
响应于在测试条件下可应用于样本的多个预定测试块中的每一个，来确定至少一个位置的预测测试损害总和；以及
选择至少一个所述预定测试块将其施加于物理测试样本，以使在测试样本上的所述位置处的实际测试损害总和大体上与为所述位置计算出的使用寿命损害总和相匹配。
根据本发明的第七方面，提供了一种用于对物理细长测试样本进行疲劳测试的方法，该方法包括：
基于在使用寿命情况下与样本相关联的应变时程来计算细长样本上的至少一个位置的使用寿命损害总和；
基于在测试条件下可应用于样本的多个预定测试块中的每一个来确定至少一个位置的预测测试损害总和；
将预测测试损害总和与该至少一个位置的使用寿命损害总和进行比较；
选择至少一个预定测试块以物理方式将其应用于样本以使在测试样本上的所述位置处的实际测试损害总和大体上与为所述位置计算出的使用寿命损害总和相匹配；以及
将所选择的至少一个预定测试块应用于样本；其中，每个预定测试块包括测试持续时间、样本的节距角、翼面向负载水平以及沿边负载水平。
根据本发明的第八方面，提供了一种用于对细长测试样本进行疲劳测试的方法，该方法包括：
确定位于细长测试样本表面上和样本截面上的多个点中的每一个点处的使用寿命损害总和；
将多个预定负载块的不同组合应用于第一端受束缚的细长样本以激励该样本的另一端，其中，每个预定负载块包括样本的节距角、第一循环负载、以及大体上垂直于第一循环负载施加的又一循环负载；
确定多个点中的每一个点的测试损害总和；
将每个点的测试损害总和与使用寿命损害总和进行比较以确定所述负载块的最佳组合以使测试损害总和至少与每个点的使用寿命损害总和非常匹配；以及
以物理方式将所述负载块的最佳组合应用于测试样本。
本发明的某些实施例可以提供一种用于测试细长样本(诸如，风力涡轮机叶片)的优化疲劳测试方法，该方法能够以受控且实际的方式同时对样本施加沿边疲劳负载和翼面向疲劳负载以便模拟现实运行条件。
本发明的某些实施例可以提供一种用于测试细长样本(诸如，风力涡轮机叶片)的优化疲劳测试方法，该方法确定应用于细长测试样本的最佳双轴线测试条件，从而使测试期间在测试样本上的一个或多个位置处积聚的损害大体上与一个或多个位置处的预测使用寿命损害相匹配。
本发明的某些实施例可以提供一种用于测试细长样本(诸如，风力涡轮机叶片)的优化疲劳测试方法，该方法确定在测试期间且“忙碌时(on the fly)”在测试样本上的一个或多个位置处积聚的损害量，以便允许对测试设置和负载水平做出调节，这会改变损害在样本周围积聚的方式，进而确保恰当地进行测试。
附图说明
以下将参照附图仅通过示例对本发明的实施例进行描述，在附图中：
图1图示了作用于风力涡轮机叶片上的不同负载；
图2图示了根据本发明的某些实施例的在叶片的部段周围的截面节点编号的示例；
图3图示了叶片复合材料的SN曲线；
图4图示了根据本发明的某些实施例的用于对风力涡轮机叶片施加优化双轴线循环负载的设备；
图5图示了根据本发明的某些实施例的选择用于风力涡轮机叶片的优化测试的五个测试块的示例；
图6图示了图5中的各测试块(负载块)单独应用于叶片根部部段时的损害效应；
图7图示了图5种的测试块累积地应用于叶片根部部段时的累积损害效应；
图8至图13图示了针对根据本发明的某些实施例的优化疲劳测试方法和非优化疲劳测试方法，在不同的叶片部段周围的每个位置处的损害总和的比较；
图14图示了根据本发明的某些实施例的优化疲劳测试方法的流程图。
具体实施方式
在附图中，相同部件以相同附图标记表示。
根据本发明的某些实施例，本文分析和描述了对风力涡轮机叶片进行疲劳测试的多个负载实例。为了描述本发明的某些实施例，这些负载实例在本文被称为“测试块”(或者“负载块”)。然而，应理解，也可以根据本发明的某些实施例对其它类型的细长样本(诸如，飞机机翼、直升机转子叶片、潮汐涡轮机叶片等)进行测试，并且本发明不限于测试风力涡轮机叶片。
最重要的负载实例通常取决于叶片各自的设计，但对于风力涡轮机叶片的疲劳分析，负载实例通常包括如下：停置于高于和低于切入和切出风速(逐步达到约2m/s)的湍流风中、在切入与切出风速之间的湍流风(逐步达到约2m/s)中操作、错误地操作、以及在切入/切出/额定风速下正常启动和关闭。
在这些操作情形下，叶片负载的主要来源是气动源、重力源、离心源、回转源、以及操作源。气动负载是不可避免的并且对于风力涡轮机的功能至关重要。随着涡轮机尺寸的增加，叶片的质量通常成立方比增加。由于叶片质量增加，重力和离心力变得很重要。在操作期间，涡轮机的偏航会引起回转负载。
气动负载由叶片翼型部段的升阻生成，其取决于风速、叶片速度、气动曲线以及攻角。攻角取决于叶片扭转和间距。所产生的气动升阻被分解为在轮毂轴线方向上的推力和围绕该轴线的扭矩，该扭矩被发生器和反作用力吸收。该反作用力大体上作用在翼面向弯曲平面中并且必须通过发生有限变形的叶片来承受。气动力使用常规的叶素动量(BEM)理论来计算，如将在本领域中所理解的。
重力和离心力取决于质量，质量通常随着涡轮机直径的增加而成立方地增加。因此，对于具有约70米或者更大直径的涡轮机而言，惯性负载很重要。离心力是旋转速度的平方与质量的乘积并且径向向外地作用，因此增加的负载需要更高的叶片尖端速度。将离心负载和重力负载进行叠加以得出正位移交替条件，其中频率由转子叶片旋转的角速度指示。
涡轮机叶片可以被划分为通过气动和结构功能进行分类的三个主要区域。“叶片根部”是圆形安装部与第一翼型剖面之间的过渡部并且承载最高的负载。叶片的“中间跨度”设计使气动因素和结构因素达到平衡，并且叶片的“尖端”在空气动力学上至关重要且此处升阻比率将达到最大。
图1中图示了作用在风力涡轮机叶片上和沿着叶片中间跨度的部段上的不同负载。
作用在叶片上的翼面向弯曲力矩大体上是气动负载的结果。
沿边弯曲力矩大体上是叶片质量和重力的结果。简单的比例定律表明叶片质量随着涡轮机尺寸的增加而成立方地上升，从而对于超过70米长的涡轮机尺寸，据称该负载实例越来越重要。当叶片到达水平位置时，沿边弯曲力矩最大。
作用在给定叶片截面上的负载(翼面向和沿边弯曲力矩、轴向力、翼面向和沿边剪切力、以及围绕纵向轴线的扭转力矩)使用风力涡轮机模拟软件(诸如，Bladed、HAWC2或者FAST等)来进行计算。
该模拟软件通常包括整个涡轮机的结构模型，并且将解释气动负载、水动力负载(对于海上风力涡轮机)、惯性负载、来自诸如叶片节距或者飞机引擎机舱偏航致动器等控制装置的负载以及由电网行为引起的电负载。
翼面向(flapwise)和沿边(edgewise)弯曲力矩对使用中的叶片的轴向应变的影响最大。这些负载具有源于如下事实的循环分量：即，风速倾向于随着高度而增加并且空气倾向于停滞在涡轮塔前面。叠加在该周期性负载上的是由湍流引起的随机负载。因此，施加至叶片的主要负载条件不是静态的而事实上是以疲劳负载形式循环，疲劳负载可能在材料经受重复非连续性负载时出现，重复非连续性负载会使得超过材料的疲劳寿命。疲劳负载是重力循环负载的结果，该重力循环负载等于转子在涡轮机寿命期间(通常为约20年)的转数。此外，阵风会产生相当小的随机负载，其在涡轮机寿命期间对循环负载的贡献约为1×109。
根据本发明的某些方面，针对在设计标准中说明的所有负载实例，沿着叶片长度生成一些不同截面的负载时程(见图14的步骤S140)，且该负载时程表示该叶片经历的运行环境。不同国家的设计标准有所不同，但选择使用了“风力涡轮机认证DNV-GL指南”以及“IEC 61400-1风力涡轮机-部分1：设计要求”。疲劳负载实例可以包括：使用正常湍流模型在给定平均风速(例如，约10m/s)下正常操作10分钟。湍流模型以3个维度对风速的随机性进行了解释，并且上文描述的设计标准中说明了这些湍流模型。
每个操作和停止负载实例的出现频率利用设计标准中描述的方法根据风速的统计分布来计算。该方法涉及假设可以通过形状因子为2的威布尔分布来描述10分钟的平均风速统计分布(一种特殊情况，称为“瑞利分布”)。然后将风速划分成仓(从0m/s直至设计指南中说明的最大值)，并且通过整合仓的开始与结束之间的瑞利分布来计算风速将位于给定仓中的概率。
启动和关闭的出现频率以及其它负载实例通常是由控制系统的行为来规定，并且通常是由认证机构根据需要进行批准。
如在图14的步骤S142所示，然后使用例如梁理论或者叶片的有限元模型等根据叶片表面周围每个截面处的一些间隔开的位置处的负载时程来生成应变时程。“应变时程”是在时间上的离散点(本文称为“位置”或者“节点”)处的应变值(材料主体的总变形与初始尺寸的比率)的列表。例如，图2中图示了中间跨度叶片部段周围的编号位置。在该实施例中，仅示例性地使用了三十六个位置，应理解，可以设想任何期望数量的位置和截面。
如在图14的步骤S144中所示，使用循环计数方法(诸如，雨流计数)将叶片部段周围的每个位置处的可变幅值应变时程减小为一系列恒定幅值循环。
如在图14的步骤S146中所示，然后对所选部段周围的每个位置处的应变时程进行疲劳分析以计算每个位置的预测使用寿命损害总和。根据如下等式(1)使用迈因纳(Palmgren-Miner)线性损害假设来计算负载实例时程所引起的使用寿命损害总和D。然而，应理解，也可以使用其它合适的方法来对各个叶片部段的每个位置处的应变时程进行疲劳分析。
Figure BDA0001372927480000101
在等式(1)中，n是涡轮机寿命期间负载实例出现的次数，k是在时程中的总循环次数，Ni是针对具有循环i的特点的循环而言发生故障需重复的次数，并且D是损害总和，该次数通常为0至约1，其表示已消耗的寿命的比例。
使用SN曲线(有时称为Wohler曲线)来计算叶片材料的给定循环Ni的故障重复次数。风力涡轮机叶片通常由复合材料制成，复合材料的疲劳性能差异较大，取决于其是否正在经历压缩、拉伸或者逆转疲劳。在一些条件下进行小规模取样测试以表征材料，并且通过插值法计算出已表征材料的条件之间的循环的SN曲线。图3图示了一些不同负载条件的典型SN曲线。根据本发明的某些实施例的双轴线测试方法利用了如下事实：即，复合材料根据平均应变水平而展示出不同的疲劳行为。
使用寿命损害是由使用寿命负载引起的应变时程导致的损害总和。根据本发明的某些实施例的物理样本测试试图复制的正是该使用寿命损害。
应变时程使用迈因纳线性损害假设或者类似假设进行计算。该过程可以应用在叶片上的不只一个位置处(每个位置处的负载和应变当然都不同，并且每个位置处的材料疲劳特性也可能不同)。
图14中示出的步骤S140至S148可以被称为根据本发明的某些实施例的优化测试方法的叶片设计阶段。图14示出的步骤S150至S162可以被称为根据本发明的某些实施例的全规模叶片测试阶段。该阶段包括将测试块以物理方式采用技术手段应用在物理叶片上，以按照根据本发明的某些实施例的优化方式对物理叶片进行双轴线疲劳测试。尽管使用了数学方法来获得测试块的最佳组合，例如，步骤S156，但完全可以使用试误法或者不同的优化方法来找出测试块的最佳组合以应用于物理叶片样本。
在已经为各叶片部段周围的每个位置进行使用寿命损害计算之后，使用如上文所描述的相同疲劳分析方法来计算该部段在翼面向方向和沿边方向上的目标弯曲力矩幅值(如图14的步骤S150所示)。然而，由于疲劳行为根据应力比发生变化，所以不存在用于确定应变幅值(该应变幅指在叶片部段上的特定位置处引起与使用寿命相同的损害量)的封闭解，因此该过程通常是迭代的(例如，分半搜索是用于确定恰当应变幅值的特别稳健的方法，如下文所描述)。计算每个部段的目标弯曲力矩幅值，以便使翼面向弯曲力矩在预定循环次数n(诸如，约五百万次循环)之后在叶片的压力侧(如图2中指出的PS)的关键位置处引起与先前计算出的那些位置的使用寿命损害D大体相同的损害量Dtarget。对于沿边方向，后缘(如图2所指示的TE)通常是损害最严重的部分，因此对于预定循环次数而言，在此在关键位置处的损害大体上相匹配。
如果关键位置处的使用寿命损害的值为D并且n是测试中的循环次数(通常为五百万次)，则通过使用迈因纳规则，可以使用如从上文的等式(1)中分解出的如下等式来计算使叶片出现故障所需的循环次数N：
Figure BDA0001372927480000111
古德曼图是分段线性的，因此SN曲线随着循环的R值发生变化，如在本领域中将理解。这意味着并不存在简单的公式来计算哪个弯曲力矩幅值会导致N次循环后发生故障。
导致恰当应变幅值的目标弯曲力矩通过使用分半搜索用数字来确定。执行过程如下：
1.选择出弯曲力矩幅值的下限和上限并且计算出两个界限之间的中点；
2.下限和中点或者中点和上限会将产生恰当N值的弯曲力矩幅值的值归为一类；
3.将该界限重新定义为中点并且该两个界限中的任一个将解归为一类，并且计算出新的中点；以及
4.重复步骤2至步骤3直至该两个界限之间的差值处于预定义容差内。
使用如下等式来计算将导致给定应变幅值的弯曲力矩幅值，其中，εa是应变幅值，EI是在相关方向中的抗弯刚度，并且y是距中性轴线的距离。
Figure BDA0001372927480000112
如图14的步骤S152所示，通过模拟或者使用从物理测试样本上获得的应变数据，为叶片的选择部段周围的至少关键位置，创建分别与相应目标应变幅值相对应的应变时程，其中，每个目标应变幅值均基于预定测试持续时间和预定测试块。测试块是预定的，因为在测试作为指定测试条件的过程的一部分开始之前就确定出了翼面向和沿边负载水平和节距角。根据本发明的某些实施例的优化方法(在步骤S156中)随后用于确定每个预定测试块的重复次数，以便获得在叶片的相应截面上的每个位置(节点)处的测试损害，其大体上与每个相应位置(节点)处的预定使用寿命损害相匹配。
适当地，针对多个不同预定测试块创建出对应的应变时程，其中，每个预定测试块由叶片节距角、翼面向目标弯曲力矩幅值和沿边目标弯曲力矩幅值来限定(见图5)。例如，可以绕叶片的纵向轴线以多个不同角度对叶片进行调浆诸如，在0度至360度之间的10个等距间隔开的角度，由于叶片的自重，这会更改围绕叶片截面的平均应变，同时翼面向和沿边目标弯曲力矩可以分别选择为在例如10个步骤中从小于目标负载的值增加至大于目标负载的值。这将意味着10×10×10＝1000次分析。这些分析是针对相当短的时期(但却足够长，足以使得行为代表长期条件，但又不会长到使计算时间过长)。约100秒的模拟长度足以捕获该行为。为了描述本发明的某些实施例，将测试块称为“预定”测试块，这是因为在物理测试作为确定特定测试样本的最佳测试条件的过程的一部分开始之前就确定出了翼面向和沿边负载水平和节距角。
如上文所描述，可以通过使用从物理测试样本获得的应变数据来确定在步骤S152为叶片的所选部段周围的至少关键位置创建出的应变时程。例如，可以使用翼面向和沿边负载的不同组合对样本进行多个很短的代表性物理测试以获得不同负载组合和节距角的应变时程。这可以涉及将叶片安装在测试台上(如图4所示)并且将应变仪放置在叶片上的相关点处，例如，在叶片的使用寿命损害最严重的部分处，或者接近结构细部。然后可以在不同的翼面向和沿边负载水平和不同的节距角下直接记录应变时程，记录时间为设定的负载持续时间(这可以通过单独地改变翼面向(图4中的412)激励器和沿边(图4中的414)激励器的幅值来实现)。然后可以使用应用于使用寿命的相同方法来对这些应变时程进行分析以计算损害总和。然后可以确定这些相关点处的与计算出的使用寿命损害相匹配的最佳测试块组合。
如图14的步骤S154所示，当计算在每个位置处的使用寿命损害以获得每个预定测试块在每个位置处的预测损害总和时，使用上文所使用的相同方法和材料数据对与目标应变幅值相关联的应变时程进行分析。
如图14的步骤S156所示，然后使用非负约束最小二乘曲线拟合方法来找出目标应变幅值且因此预定测试块的哪种组合会在每个位置处引起预测损害总和，该预测损害总和与如先前确定的相应叶片截面周围的每个位置的使用寿命损害分布最佳地匹配。测试块的该组合也可以通过试错法或者替代优化方法来找出。
该优化问题的形式在下文通过如下等式来示出：
Figure BDA0001372927480000131
在上面的等式(4)中，D指损害总和，x是测试重复次数。下标S指应变仪位置(具有n个应变仪)，下标T指测试块(具有N个测试块)，下标L指预测使用寿命。该等式解答出x。
换言之，根据本发明的某些实施例的优化疲劳测试方法确定了测试块(即预定测试块)的最佳组合，每个预定测试快分别由待应用于叶片部段的翼面向和沿边弯曲力矩、以及叶片的节距角来限定，该测试块组合尽可能接近地复制其使用寿命对叶片造成的损害。测试块的该最佳组合也可以通过使用试错法或者替代优化方法来找出。在试错法中，负责限定待应用于叶片的测试块的组合的人可以准备每个测试块的损害总和与叶片上的位置的关系的图表。然后可以对这些图表与使用寿命损害总和与叶片上的位置的关系图表进行观察对比，并且测试工程师可以通过判断来决定每个测试块应用多少次循环。
如图14的步骤S158所示，然后将通过根据本发明的某些实施例的优化测试程序确定出的测试块的组合应用于物理叶片测试样本。测试块由节距角、襟翼幅值和边缘幅值来限定。当测试叶片时，本领域目前的做法是单独地执行两个测试块(一个测试块仅具有翼面向负载而另一个测试块仅具有沿边负载)时，其中测试期间节距角不发生变化。如果执行双轴测试，则负载和节距角不变，并且仅执行一个测试块。独立地应用时，单独的负载块不会与使用寿命损害很好地匹配。然而，根据本发明的某些实施例，通过利用具有不同翼面向和沿边负载水平和不同节距角的多个测试块在测试台上执行加载(见图6和图7)，可以创建出累积效应以使由测试引起的损害与由使用寿命引起的损害在准确度极大提高的情况下至少紧密匹配，如图8至图13中所表明。
如图14的步骤S160所示，如果物理测试负载与在该过程中的早期步骤中预测的那些负载存在很大差异，则可以使用真实测试条件来重新计算测试块(负载实例)。例如，如果证明在步骤S152创建的应变时程不正确，则可以在物理测试中途使用从测试获得的真实值来更新该应变时程。
如图14的步骤S162所示，当在全规模物理测试中已将所有测试块应用于物理叶片时，物理测试程序完成。
图4图示了用于将双轴线负载应用于风力涡轮机叶片的设备。WO2009/1278521中描述了该设备400。测试叶片402的根端404安装至测试床406，以使该叶片以悬臂式布置中大体上水平地从测试床延伸出去。根据本发明的某些实施例，叶片402的根端可围绕叶片的纵向轴线旋转，从而可以响应于待应用于叶片的测试块的节距角选择性地对叶片的节距角进行调节。叶片400的根部处的带凸缘部分用螺栓连接至测试床404的安装轮毂408以在测试期间在所有方向上约束叶片的根端。安装轮毂408可选择性地可旋转，以在测试设置期间或者在测试之间调节叶片的节距角。安装轮毂408是通过电动机、液压装置等旋转，并且可以从控制室进行远程操作或者由控制器自动操作。测试期间，当叶片经受双轴线循环负载时，安装轮毂408被固定并且在全部六个自由度上约束叶片根部。该控制器还操作安装在沿着叶片的某一位置处的加载设备410，以将根据本发明某些实施例的优化双轴线循环负载应用于叶片所选截面。加载设备410(未详细示出)包括：将该设备安装至叶片的安装部、以及将双轴线循环负载应用于叶片的两对间隔开的往复质量块。一对间隔开的质量块412沿着相应的第一线性位移路径在垂直于叶片的纵向轴线和大体上垂直于叶片翼弦的方向上(翼面向方向)移动，而另一对间隔开的质量块414沿着大体上平行于叶片翼弦方向并且垂直于叶片的纵向轴线(沿边方向)的又一相应的线性位移路径移动。因此，包括翼面向和沿边循环负载的优化双轴线测试块应用于以确定的节距角定向的测试叶片，以使得所选择的叶片截面周围的每个位置处的测试损害总和大体上与这些位置处的预测使用寿命损害相匹配。
如将理解，控制器(未示出)可以包括计算装置，该计算装置包括处理器或者多个处理器以及存储器并且能够执行如上文根据本发明的某些实施例描述的优化测试方法。包括控制器的控制系统可以进一步包括个人计算机、智能手机、平板计算机等中的一个，可以经由该个人计算机、智能手机、平板计算机等提供指令，以根据本发明的某些实施例远程地控制设备400。叶片表面可安装一个或多个仪器、传感器、以及/或者加速计(未示出)以测量/监测叶片上的对应位置处的对应参数，诸如，应变、应力、加速度、位移等。一个或多个摄像机以及/或者激光器也可以用作数据追踪装置，以在测试期间测量叶片的位移并且在操作上与控制器相关联。控制系统可以是对反馈传感器提供的反馈信号作出响应的开环系统或者闭环系统。数据可以经由无线或者有线通信链路(例如，固定以太网连接)在加载设备400、一个或多个仪器、传感器或者类似物、以及控制器之间进行交换。因此，可以将优化测试块或者测试块的组合应用于叶片，使该叶片经受双轴线循环疲劳负载以在叶片的使用寿命期间大体上复制现实负载，同时允许在测试期间对诸如损害、应变等测试参数进行测量和监测，以便可以选择性地对其它测试参数(诸如，负载幅值、叶片节距、频率等)进行调节，使得在叶片的截面周围的一个或多个位置处出现与叶片上的该位置处的预测使用寿命损害大体上紧密匹配的期望目标损害。换言之，本发明的某些实施例可以提供一种用于对风力涡轮机叶片进行疲劳测试的优化方法，该方法确定在测试期间且“忙碌时”在测试叶片上的一个或多个位置处累积的损害量，以便允许对测试设置做出调节，这会改变损害在样本周围累积的方式，进而确保测试恰当地进行。
在如下示例中，已经使用上述步骤和确定出的优化测试块对六个叶片截面进行了分析以大体上与该叶片的使用寿命损害相匹配。
图6图示了图5的表格中的五个测试块(负载块)在单独地应用于测试叶片的根部部段时各自的效应。如图6所示，仅测试块4引起的损害总和与预测使用寿命损害总和比较接近，并且仅仅是就叶片的后缘(TE)周围的位置而言。相反，如图7所示，如果根据本发明的某些实施例将多个单独的测试块(而不是一个测试块，这是本领域的现行状态)应用于物理测试叶片，则在叶片的根部部段周围的每个位置处的累积损害总和会更接近每个位置处的预测使用寿命损害，直至将所有五个测试块组合起来以大体上与测试叶片的根部部段周围的每个位置的预测使用寿命损害相匹配。
在已经计算出了每个截面的设计等效负载之后，使其乘以安全因子以解释材料和叶片制造等中的变化。然而，为了促进方法之间的比较，已经从用于生成如下结果的计算中省略了这些安全因子。在如下比较中，同时针对六个叶片截面进行根据本发明的某些实施例的优化过程，因此，匹配度不如在针对仅仅一个截面进行该优化方法时好(如上文针对根部部段所描述)。然而，与单轴线疲劳测试方法引起的测试不足和非优化双轴线疲劳测试方法引起的过度测试相比仍具有明显改进，如图所中图示。
如图8至13所示，可以看到当将非优化双轴线(DA)疲劳测试方法应用于测试叶片时，对于所有六个叶片部段在低于约数字16的位置处(即，对于测试叶片的大多数压力侧(PS))的损害总和明显高于这些相应位置的预测使用寿命损害。对于1.15m的部段实例，如图8所示，在约分析位置12至13处的损害峰值高于计算出的使用寿命，但在约分析位置6处同样出现所不期望的附加损害峰值。因此，非优化双轴线疲劳测试方法产生的损害不表示使用，而单轴线(SA)测试未损害在实践中会受到损害的叶片的部分。这也在针对其它部段的损害比较中示出，如图9至图13所图示。
在根据本发明的某些实施例的优化双轴线测试(ODA)中，通过有效地应用使叶片在测试台上旋转(部分地通过测试并且继续进行)的物理步骤来进行分析，这导致下一测试部段的平均负载不同。通过将不同测试部段与不同的叶片旋转以及因此不同的平均负载结合，该分析表明所有部段的损害曲线均大体上与使用寿命的损害曲线相匹配并且是所有测试方法中最接近的。因此，本发明的某些实施例提供了一种大体上表示风力涡轮机叶片的运行条件的双轴线疲劳测试方法。
因此，根据本发明的某些实施例的优化疲劳测试方法并非计算给定循环次数的等效负载，然后确保在测试期间达到该负载并且继续该循环，而是可以计算“忙碌时”的损害。因而，这可以允许对测试设置和负载水平做出调节，这会改变损害在样本周围积聚的方式，从而允许与使用寿命损害更紧密地匹配，同时仍保持共振测试的益处。
本发明的某些实施例可以按照计算机程序产品的形式进行实施，该计算机程序产品包括指令(即，计算机程序)，该指令可以在处理器上进行实施，储存在数据子载体(诸如，软盘、光盘、硬盘、PROM、RAM、闪存存储器、或者这些或者其它储存介质的任意组合)上，或者经由网络(诸如，以太网、无线网、因特网、或者这些或者其它网络的任意组合)上的数据信号进行传输，或者在作为ASIC(专用集成电路)或者FPGA(现场可编程门阵列)或者适合于用于适应常见等效装置的其它可配置或者定制电路的硬件中得以实现。
本发明的某些实施例利用如下事实：即，损害在压缩条件下通常积累得更慢，并且通过在测试台上对叶片进行调浆使叶片的由使用寿命引起的损害较小的部分经受压缩。因此，损害在这些区域中建立得更慢，并且可以在需要时将损害添加至叶片的其它部分，从而提供了更有效且现实的疲劳测试方法。
在本说明书的描述和权利要求中，措辞“包括”和“包含”以及其变型表示“包括但不限于”，并且其并非意在(并且不会)排除其它部分、添加物、部件、整数、或者步骤。在本说明书的描述和权利要求中，单数形式也涵盖复数形式，除非语境有其它要求。尤其，当使用不定冠词时，说明书应理解为设想到复数形式和单数形式，除非语境有其它要求。
与本发明的特定方面、实施例或者示例一起描述的特征、整数、特点或者组合应理解为可适用于本文所描述的任何其它方面、实施例或者示例，除非不可与其兼容。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征、以及/或者所公开的任何方法或者过程的所有步骤都可以按照任何组合形式进行组合，除了该特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合。本发明不限于任何前述实施例的任何细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖特征或者任何新颖组合、或者延伸至所公开的任何方法或者过程的步骤的任何新颖步骤或者任何新颖组合。
读者的注意应指向同时与本说明书或者在本说明书之前与该申请归档在一起的并且与本说明书一起供公众查阅的所有文件和文档，所有这些文件和文档的内容均以引用的方式并入本文。

Claims (29)

1.一种用于对细长样本进行疲劳测试的方法，所述方法包括：
计算所述细长样本的至少一个相应第一部段上的一个或多个位置处的使用寿命损害总和，以响应与样本相关联的至少一个应变时程；
确定可单独地应用于所述样本的多个预定测试块中的每一个在所述一个或多个位置处的预测测试损害总和，其中每个预定测试块由相应的测试持续时间、所述样本的纵向轴线的所述样本的节距角、翼面向负载幅值和沿边负载幅值来限定；以及
基于所述一个或多个位置中的每一个的所述预测测试损害总和与所述使用寿命损害总和的比较，来选择与所述多个预定测试块相关联的至少一个测试块；
其中，所述选择的至少一个测试块应用于所述样本并包括重复每个预定测试块的次数，以便使得在所述一个或多个位置中的每一个位置处的测试损害总和至少大体上与在所述一个或多个位置中的每一个位置处的所述使用寿命损害总和相匹配。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
计算所述细长样本的所述至少一个相应第一部段上的多个间隔开的位置中的每一个位置处的使用寿命损害总和。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述多个预定测试块中的每一个至少由具有第一循环负载幅值的第一循环负载以及用于将所述第一循环负载施加于所述样本的第一测试持续时间来限定。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一循环负载可在相对于所述样本的纵向轴线的大体上垂直的方向上应用于所述样本。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述多个预定测试块中的每一个进一步由具有又一循环负载幅值的又一循环负载以及用于将所述又一循环负载施加于所述样本的又一测试持续时间来限定。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述又一循环负载可在相对于所述样本的纵向轴线的大体上垂直的方向上应用于所述样本。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一循环负载大体上垂直于所述又一循环负载。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一测试持续时间大体上等于所述又一测试持续时间。
9.根据权利要求1所述的方法，所述样本包括在固定端部处全部自由度受到约束的悬臂式细长样本。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述样本包括在叶片的根端处受到约束的风力涡轮机叶片。
11.根据权利要求5所述的方法，其中，所述样本包括具有翼弦轴线的翼型截面，并且所述第一循环负载是可大体上垂直地应用于所述翼弦轴线的翼面向循环负载，并且所述又一循环负载是可大体上平行地应用于所述翼弦轴线的沿边循环负载。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一循环负载和所述又一循环负载分别包括第一弯曲力矩和又一弯曲力矩，所述第一弯曲力矩和又一弯曲力矩分别具有相应弯曲力矩幅值。
13.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
确定与所述多个预定测试块相关联的多个所述测试块的组合，其中，当将所述测试块应用于所述样本时，所述组合使得在所述一个或多个位置中的每一个位置处的测试损害总和至少大体上与在所述一个或多个位置中的每一个位置处的所述使用寿命损害总和相匹配。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括：
响应于应用基于约束最小二乘的优化例程来确定待应用于所述样本的所述测试块的所述组合，以便将所述预测测试损害总和与所述一个或多个位置的所述使用寿命损害总和进行比较。
15.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
以物理方式将所述至少一个测试块应用于所述样本。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法进一步包括：
在将所述至少一个测试块应用于所述样本的同时，确定所述一个或多个位置处的测试损害总和。
17.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
基于与所述样本的所述第一部段相关联的至少一个负载时程和与所述样本相关联的至少一个循环测试块，生成所述样本的所述至少一个第一部段上的所述一个或多个位置的所述至少一个应变时程。
18.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
响应于使用线性损害算法对所述至少一个应变时程进行疲劳分析，计算在所述一个或多个位置处的所述使用寿命损害总和。
19.根据权利要求18所述的方法，所述方法进一步包括：
响应于将循环计数算法应用于所述至少一个应变时程，来将所述至少一个应变时程的可变幅值减小为恒定幅值。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样本的所述至少一个相应第一部段包括多个间隔开的部段，所述多个间隔开的部段沿着所述细长样本的长度定位并且相对于所述样本的纵向轴线垂直地定向，每个部段具有相应的一个或多个位置。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个位置布置在所述样本的外表面上。
22.一种用于对细长样本进行疲劳测试的系统，所述系统包括：
用于执行如任一项前述权利要求所述的方法的控制器；以及
在操作上与所述控制器相关联以将所述选择的至少一个测试块应用于细长样本的设备。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述至少一个测试块包括：在第一方向上施加于所述细长样本的第一循环负载、以及在又一方向上施加于所述细长样本的又一循环负载。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述第一方向和所述又一方向大体上彼此垂直。
25.根据权利要求23或24所述的系统，其中，所述第一方向和所述又一方向分别大体上垂直于所述样本的纵向轴线。
26.根据权利要求22所述的系统，所述系统进一步包括至少一个传感器，所述至少一个传感器在操作上与所述样本和所述控制器相关联。
27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述至少一个传感器包括应力和/或应变仪、加速计、位移传感器、激光器、以及摄像机中的一个或多个。
28.根据权利要求22所述的系统，其中，所述控制器包括计算装置，所述计算装置包括一个或多个处理器。
29.一种用于对细长样本进行疲劳测试的方法，所述方法包括：
计算细长样本上的至少一个位置的使用寿命损害总和，该计算响应于与所述位置相关联的应变时程；
响应于应用于所述样本的多个测试块中的每一个，来确定所述位置处的预测损害总和，其中每个预定测试块由相应的测试持续时间、所述样本的纵向轴线的所述样本的节距角、翼面向负载幅值和沿边负载幅值来限定；以及
从所述多个测试块中选择一个或多个测试块将其应用于测试样本，以使得在所述位置处的测试损害总和大体上与所述位置的所述确定的使用寿命损害总和相匹配，其中，所述选择的至少一个测试块包括重复每个预定测试块的次数。
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