CN108387370B - 一种应用于风力叶片疲劳测试中的叶片结构频率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于风力机叶片疲劳测试中叶片结构频率的调节方法，通过对安放在实验台架上的测试叶片，建立其结构动力学模型，在若干位置增设弹簧单元，采用优化算法，对弹簧单元的位置与弹簧刚度进行优化布置，实现该叶片挥舞与摆振方向的结构频率值满足所希望的比例关系。将计算与优化分析所获得的弹簧参数，应用到实际台架上，在实际叶片上加设弹簧构件，从而实现对叶片挥舞与摆振方向频率比值的调整，以满足叶片疲劳试验对不同方向频率比值的要求。

Description

一种应用于风力叶片疲劳测试中的叶片结构频率调节方法

技术领域

本发明属于机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种应用于风力机叶片疲劳测试试验中叶片结构频率调节的实现方法。该方法采用在叶片挥舞或摆振某一方向加设弹簧构件，从而调整测试叶片挥舞与摆振方向的结构固有频率比值关系。而弹簧构件的位置选择与弹簧刚度选择，则是通过采用叶片结构动力学数值计算与弹簧单元的优化设计相结合来实现的。利用计算分析得到的结果，并根据实际测试叶片的结构形式与工作环境，搭建实际的弹簧构件，实现测试叶片挥舞、摆振方向频率值达到合理的比例关系，用以满足叶片相关疲劳测试对叶片不同方向频率比值的要求。

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。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，进行全尺寸叶片的疲劳测试可以提供对设计的可靠确认。在现有疲劳试验中，所采用的加载方式主要是单轴共振疲劳加载方式，即分别在叶片挥舞与摆振方向施加疲劳载荷，通过调整疲劳载荷的激振频率与叶片在该方向结构固有频率一致或接近，实现叶片的共振运动，从而实现对叶片的疲劳加载。共振加载的优点在于节省输入能量。目前的实现方法，主要是调整激励载荷的频率值，以适应叶片结构的固有频率值。但在一些情况下，当激励载荷频率难于调整时，就有必要考虑调整叶片结构固有频率值，以适应激励载荷的频率值。

更为重要的是，由于叶片在实际运行中，同时承受多个方向的疲劳载荷，尤其是挥舞与摆振方向疲劳载荷的共同作用对叶片损伤具有重要的影响，而上述单轴疲劳实验无法反映出多方向载荷同时作用的效果。随着叶片大型化的发展，挥舞与摆振疲劳载荷的耦合作用效果更加明显，因此开展叶片在挥舞与摆振方向同时施加疲劳载荷，即双轴疲劳测试，将是今后叶片疲劳测试的一个发展趋势。目前双轴疲劳测试的开展上还存在很多技术难点需要解决。其中，由于测试叶片挥舞方向与摆振方向的固有频率值往往不一致，而在进行疲劳加载，尤其是共振方式加载时，为了节省加载能量，总是希望加载频率与结构固有频率保持一致，这就导致叶片在挥舞与摆振方向的加载频率也常常无法一致，而挥舞方向与摆振方向加载频率值的不一致或不协调，就会在加载周期内，造成挥舞与摆振方向加载幅值与加载相位差处于复杂的变化过程中，这对载荷控制以及后续的损伤分析都造成很大的困难。如果能够采用某种方式，实现测试叶片在挥舞方向与摆振方向的频率值相同或保持在一个所希望的比例关系上，则对疲劳载荷的加载实施与后续损伤分析，提供很大的益处。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有风力机叶片双轴疲劳测试中叶片挥舞与摆振方向频率不一致或挥舞方向与摆振方向固有频率比值与所希望的比例关系值不一致(这里所说的希望的比例关系值，取决于具体的疲劳测试设计方案，因不同的叶片疲劳测试要求而有所不同)的问题，本发明旨在提供一种应用于风力叶片疲劳测试中的叶片结构频率调节方法，通过在测试叶片的挥舞或摆振方向增设弹簧构件，实现对叶片结构频率的改变。为了准确实现挥舞与摆振方向频率值达到所希望的比例关系，本发明将叶片结构动力学数值计算与弹簧参数优化设计相结合，建立待测风力机叶片的动力学数学模型，计算其结构振动特性，并在叶片数学模型若干位置增加弹簧单元模型，以弹簧刚度与布置位置作为优化变量，将结构动力计算与优化算法相结合，获得满足优化目标的弹簧位置与弹簧刚度配置参数，最终实现叶片在所希望的不同方向频率比值关系。本发明的上述叶片结构频率调控方法也可以满足叶片单轴疲劳测试时，调整结构频率适应加载频率的要求。

(二)技术方案

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：

一种应用于风力机叶片疲劳测试中叶片结构频率调节方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

SS1.对所要开展疲劳测试的风力机叶片，根据其具体结构特征，建立结构动力学分析的数值模型；

SS2.根据该待测叶片在试验台上的实际安放情况，对步骤SS1中建立的数值模型设定相应的约束条件；

SS3.对步骤SS2中设定约束条件后的数值模型进行结构固有频率计算，获得该待测叶片结构在挥舞与摆振方向的固有频率；

SS4.在上述数值模型上，沿叶片展向选择若干位置设置弹簧单元模型，以弹簧单元节点的位置和弹簧刚度为优化变量，以待测叶片结构的挥舞与摆振固有频率比值达到所希望的比例关系作为优化目标，通过优化计算获得满足优化目标的弹簧单元节点位置与弹簧刚度；

SS5根据步骤SS4得到的满足优化目标的弹簧单元节点位置与弹簧刚度等参数，构建实际的弹簧构件，应用于实际待测叶片上，实现实际叶片挥舞、摆振方向频率值的比例关系。

本发明的应用于风力机叶片疲劳测试中叶片结构频率调节方法，其工作原理为：

风电叶片在挥舞、摆振方向的固有频率，主要是由叶片结构特征所决定，尤其是叶片的刚度与质量参数所决定。为了调整挥舞、摆振方向的固有频率值，采用在其中一个方向加设弹簧构件，即对叶片的刚度特征起到调节作用，从而实现对两个方向的结构频率的改变。如果能够对所施加的弹簧数量、弹簧位置、弹簧刚度进行优化，就可以达到在叶片挥舞与摆振两个方向的固有频率的比值可控的目的。本专利基于这一思想，在叶片若干位置上安置弹簧构件，通过采用优化算法，进行弹簧数量、弹簧位置与弹簧刚度的优化计算，调整叶片挥舞固有频率与摆振固有频率的数值关系，实现该比例关系达到所希望目标的要求。

优选的，步骤SS1中，所述结构动力学分析数值模型为有限元结构数值模型。

优选的，所述叶片数值模型包含叶片本体结构、与测试实验相关的各项装置，以及增设的弹簧单元。

优选的，采用该方法进行叶片弹簧构件布置，其前提在于有明确的叶片挥舞方向与摆振方向频率调整后的目标比值，所述目标比值要求源自每一具体叶片测试工作的实验设计方案，在步骤SS4中，以这一目标比值要求作为优化目标。

优选的，步骤SS4中，通过优化算法与数值模型频率计算之间的迭代分析，获得满足优化目标的最佳的弹簧位置与弹簧刚度。

优选的，步骤SS4中，优化算法与数值模型频率计算均可采用通用成熟的算法软件与商用软件。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的应用于风力机叶片疲劳测试中叶片结构频率调节方法具有如下明显的实质特点和显著优点：

现有风力机叶片台架疲劳试验，尤其是共振式疲劳试验中尚未考虑叶片调频技术，这造成在进行疲劳加载时，只能调整加载频率以适应叶片自身的固有频率，而无法实现调整叶片固有频率，来适应加载频率。更重要的是，在叶片双轴疲劳实验中，如不能有效解决叶片挥舞方向与摆振方向结构固有频率值之间比例关系的可控性，则给双轴加载的实现以及后续损伤分析带来很多不可控的因素。本发明的叶片调频技术，不仅能实现在叶片单轴加载试验时，对叶片结构频率的调整，更能满足双轴疲劳测试对叶片结构频率调整的需求。

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，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，采用以下步骤对一待测叶片的挥舞与摆振方向固有频率比值进行调整，以满足该叶片疲劳测试的需求：

1)根据该叶片的结构特征，建立叶片的梁单元有限元数值模型，并根据叶片在试验台上的安放情况，对模型的固定位置节点设置固定约束条件；

2)对上述数值模型进行结构固有频率计算，获得该叶片结构的一阶挥舞固有频率与一阶摆振固有频率；

3)比较2)中得到的挥舞与摆振固有频率值，并确定预期达到的频率比值目标。本实施例中，设定的目标为挥舞与摆振结构固有频率比值为1：1。

4)在该例中，选择在摆振方向加设弹簧机构。在叶片的数值模型上，选择若干位置放置一定刚度的弹簧单元，以弹簧单元所在节点的位置和弹簧刚度为优化变量；

5)根据实际叶片情况，确定加设弹簧单元的数量和每一弹簧刚度的范围，作为优化的约束条件，以弹簧节点位置和弹簧刚度作为优化变量；

6)根据3)中所述，增加弹簧单元后，设定叶片结构挥舞与摆振方向固有频率值的比例关系为1：1作为优化目标；

7)本实例中，优化算法采用粒子群优化算法，结构频率计算采用商用软件Ansys的频率计算模块；通过优化算法与有结构频率计算之间的迭代分析，获得满足优化目标的最佳弹簧位置与弹簧刚度；

8)依据上述步骤，确定在实际叶片上加设弹簧构件的位置与弹簧刚度。

通过以上步骤的实施，完成了对该测试叶片挥舞方向与摆振方向固有频率比值的调整。

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 (4)

1.一种应用于风力机叶片疲劳测试中叶片结构频率的调节方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：

SS1. 对所要开展疲劳测试的叶片，根据其具体结构特征，建立结构动力学分析的数值模型；

SS2. 根据该待测叶片在试验台上的实际安放情况，对步骤SS1中建立的结构分析数值模型设定相应的约束条件；

SS3. 对步骤SS2中设定约束条件后的结构分析数值模型进行结构固有频率计算，获得该待测叶片结构在挥舞与摆振方向的固有频率；

SS4. 在所述结构分析数值模型上，沿叶片展向选择若干位置设置弹簧单元，以弹簧单元节点的位置和弹簧刚度为优化变量，以待测叶片结构的挥舞与摆振固有频率比值达到所希望的比例关系作为优化目标，通过优化计算获得满足优化目标的弹簧单元节点位置与弹簧刚度，其中，

所述待测叶片结构的挥舞与摆振固有频率比值达到所希望的比例关系为待测叶片结构挥舞方向与摆振方向频率调整后的目标比值，所述目标比值源自每一具体叶片测试工作的实验设计方案；

SS5 根据步骤SS4得到的满足优化目标的弹簧单元节点位置与弹簧刚度参数，构建实际的弹簧构件，应用于实际待测叶片上，实现实际叶片挥舞、摆振方向频率值的比例关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤SS1中，所述结构动力学分析数值模型为有限元结构数值模型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片数值模型包含叶片本体结构、与测试实验相关的各项装置，以及增设的弹簧单元。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤SS4中，通过优化算法与数值模型频率计算之间的迭代分析，获得满足优化目标的最佳的弹簧位置与弹簧刚度。