CN108918106B - 一种分阶段加载的风力机叶片的疲劳测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分阶段加载的风力机叶片的疲劳测试方法，用以准确评估叶片不同部位的抗疲劳性能。该方法的特点在于，在整个叶片疲劳测试周期内，根据叶片不同部位的承载情况，采用分阶段加载策略。通过利用等效疲劳损伤理论，实现叶片不同范围都能承受所要求的疲劳载荷幅值与加载次数的目标。从而实现对叶片抗疲劳性能准确评估的目的。

Description

一种分阶段加载的风力机叶片的疲劳测试方法

技术领域

本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种分阶段加载的风力机叶片的疲劳测试方法。

背景技术

风电叶片疲劳损伤问题是风电叶片运行中所关注的一项重要内容。在风电外运行中，风电机组承受多种疲劳载荷的作用。目前的叶片设计都要求风电叶片至少能运行20年以上，也就是要求叶片能够承受20年的疲劳载荷。为了达到这一要求，现有叶片在设计之后，都要开展疲劳测试实验，用以验证其抗疲劳能力。早期的疲劳检测，其叶片的检测考核位置，主要是根据已有的设计计算，确定若干个危险截面，予以考核。因此，在疲劳实验时，也主要是保证这几个截面位置的试验载荷满足设计载荷的要求，而对其它位置的载荷不做严格要求。随着叶片大型化的发展，叶片疲劳损伤问题也更趋复杂化，设计计算所得到的危险截面未必能真实反应实际损伤位置，因此为了更加全面准确地评级叶片的抗疲劳性能，有必要在疲劳测试中，对叶片的更广泛的截面区域，进行准确地施加疲劳载荷，从而验证叶片更大范围的抗疲劳性能。目前，很多叶片疲劳测试时，都要求叶片从叶根到距叶根70％叶展长度的范围内，测试的加载载荷要达到设计的疲劳载荷值。

然而，要实现在叶片较大的截面范围内准确地施加疲劳载荷，是非常困难的。因为叶片在实际运行中，承受多种疲劳载荷的共同作用，如气动载荷、惯性载荷等，具有复杂的载荷谱特征。但在试验台架上开展测试试验时，载荷大都为若干个集中载荷。这些集中载荷在叶片上所产生的载荷-截面位置关系曲线，与气动载荷与惯性载荷等分布式载荷所产生的载荷-截面位置关系曲线，是很难以吻合的。为解决这一问题，目前工程界常采用在叶片若干位置增加一些配重质量的方法，用以改善试验载荷与设计载荷的匹配性，这种方法有一定的效果，但难于根本改善。因此，目前在叶片疲劳测试时，为了保证在指定截面范围达到设计载荷的要求，经常导致局部加载偏大，甚至为了实现个别位置截面的加载载荷达到设计要求，而造成在叶片大部分区域的载荷超标。这样做，不仅导致加载载荷精度的不准确，同时还可能因为局部载荷过大的超标，造成叶片不应有的破坏。

因此，有必要建立更为适合的疲劳加载技术，既能保证叶片评估区域的加载载荷达到设计要求，又能避免局部区域的加载载荷超载过大。同时，实现更为精确的加载，可以更为有效获得叶片的疲劳性能。

发明内容

针对上述需求，本发明提出一种分阶段加载的风电叶片的疲劳测试方法，通过采用损伤等效的原则，根据疲劳测试所要求的载荷与测试条件可实际能够达到的载荷之间的差距，将整个测试周期分成多个阶段实施，在每一阶段，都需要对叶片的加载情况进行有效配置，以保证尽可能多的区域范围可以符合设计载荷所达到的等效损伤情况，对于不能达到等效损伤的区域，将根据剩余的损伤要求，在后续的阶段继续予以疲劳加载，直至所要求的全部范围都达到设计的载荷要求。

(一)要解决的技术问题

针对目前风力机叶片在试验台架上开展疲劳测试时，所要求的载荷施加值与实际加载值无法很好吻合这一问题，本发明提出了一种基于等效疲劳损伤的分阶段加载技术，可实现在所要求评定的叶片范围内，叶片的疲劳损伤情况达到试验设计所要求的情况。

(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：

一种分阶段加载的风力机叶片的疲劳测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

SS1.根据设计单位所提供的疲劳载荷谱，绘制叶片不同截面位置的载荷值与位置坐标之间的关系曲线，该曲线中的载荷值为各截面疲劳力矩的幅值，而各截面的力矩均值为零，该曲线载荷即为疲劳测试的目标曲线；

SS2.初步设计叶片上疲劳加载装置，在叶片一定位置安放激振器和若干质量配重块，通过调节激振器与质量配重块的位置和质量，以及激振质量，实现对叶片产生的所需要的加载力矩；

SS3.根据步骤SS2中激振器的输出载荷，以及激振器、配重块、叶片各部位的质量和叶片各截面的刚度等参数，计算出激振器在叶片各截面位置所产生的疲劳力矩幅值与疲劳力矩均值，由于叶片水平放置在试验台架上，叶片重量以及加载装置质量导致叶片的疲劳力矩均值不为零；

SS4.为了与步骤SS1中目标载荷相比照，采用疲劳载荷平均应力修正方法，将步骤SS3中确定的疲劳载荷进行修正，即将疲劳力矩均值不为零时的疲劳力矩幅值等效转化为均值为零的载荷幅值，从而获得一条新的叶片各截面载荷与截面坐标的关系曲线，该曲线的均值载荷为零；

SS5.通过调整激励器与配重块的位置与质量，可以获得多组步骤SS4中的关系曲线，将这些曲线与步骤SS1中曲线进行对比，选取出与步骤SS1中目标曲线最接近的曲线作为试验载荷曲线；

SS6.实际上，无论对激励器与配重块的位置和质量进行怎样地调整，所获得的试验载荷曲线，与目标曲线都会存在一定的偏差，因此需要定义偏差指标，来判断试验载荷是否合适；

SS7.将步骤SS5中获得的最终试验曲线与步骤SS1中目标曲线相比较，计算叶片各截面位置上述两曲线力矩载荷之差，分别得到二者载荷差距小于步骤SS6中偏差指标的部分(即满足偏差指标的部分)与超出偏差指标的部分，满足偏差指标的定为A部分，超出偏差指标的为B部分(所谓超出部分，即该部分区域的试验载荷低于目标载荷，且二者差值大于偏差指标)；

SS8.按照步骤SS5中获得的试验载荷曲线，对叶片进行第一阶段的疲劳加载测试，按照试验所要求的加载次数进行加载试验，分别获得A、B两部分的测试结果，其中A部分测试结果为该部分的最终结果；

SS9.对于B部分，由于在第一阶段的载荷幅值低于该部分区域的目标载荷，且二者差值大于评定指标，因此该区域的实验结果还不能作为最终结果，需要进行后续的继续加载，以达到实现目标加载的效果。此时，需要根据叶片材料的疲劳载荷—寿命曲线，进行叶片疲劳等效分析。即根据B部分各位置的实际载荷值与加载次数，将其等效为目标载荷时的加载次数，由此判断该位置的在目标载荷情况下的剩余加载次数；

SS10.上述步骤SS9中获得的B部分目标载荷的剩余加载次数，将作为后续阶段疲劳测试的初始载荷依据；

SS11.根据步骤SS10中的目标载荷与剩余加载次数，重新对叶片的B部分设计测试方案，具体步骤重复前面SS2～SS9的步骤；

经过这一阶段的测试，可将前述B中的区域又重新分成两部分，一部分达到测试要求，一部分没有达到测试要求，留待下一阶段继续测试；

SS12.经过若干阶段的实施，即若干次上述步骤的循环后，可实现叶片各截面位置的加载情况最终都等效于该位置目标载荷幅值与加载次数的要求；

SS13.通过上述步骤，完成最终疲劳测试工作。

优选的，采用该方法进行叶片疲劳测试，其前提在于有相应叶片各截面位置的目标疲劳载荷力矩曲线，该曲线来自叶片设计要求。

优选的，步骤SS6中，采用该方法进行叶片疲劳测试，需要确定实际加载载荷是否满足目标载荷的偏差指标，偏差指标公式如下：

|M2-M1|<a 公式(1)

|(M2-M1)/M1|<b 公式(2)

其中，M2为各截面实际载荷力矩，M1为各截面目标载荷力矩。a,b值的选取，可根据不同叶片测试的加载与测试精度要求予以确定。

优选地，步骤SS5中，所选取的试验载荷曲线的载荷值不能高于目标载荷曲线，如果有超出，应对激励器的输出力矩做出调整，保证试验载荷曲线的载荷值要低于并接近于目标载荷曲线。

优选地，步骤SS6中，所述偏差指标根据不同测试试验所要求的加载精度以及误差限定范围来确定。

优选地，步骤SS11中，这一阶段A部分因为已达到测试要求，后期将不再对其予以考虑和评估，在后期测试中，可根据测试需要对A部分进行必要的加固或去除(例如去除部分已到达测试要求的叶尖部分，或加固可能在后续测试中对其它区域产生不良影响的区域)。

(三)有益效果

本发明具有如下明显的实质特点和显著优点：

1)采用该方法进行疲劳测试，可保证对于所要评估的叶片部位，都能符合所要求的加载要求。

2)与现有技术相比，采用该方法进行疲劳测试，可提高加载载荷的准确程度。

3)采用该方法进行疲劳测试，可以避免对局部区域加载载荷过大的弊端。

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2MW级风力机叶片为例，采用以下步骤进行风力机叶片的分阶段加载的疲劳测试试验：

1)根据设计单位所提供的疲劳载荷谱，绘制叶片不同截面位置的载荷值与位置坐标之间的关系曲线，该曲线载荷即为疲劳测试的目标曲线。该曲线中的载荷值为各截面疲劳力矩的幅值，而各截面的力矩均值为零。

2)初步设计叶片上疲劳加载装置，本例中，在叶片上安放一台激振器和3个质量配重块，通过调节激振器与质量配重块的位置和质量，以及激振质量，实现对叶片产生的所需要的加载力矩，这一步骤采用目前通用技术，这里不再详细论述；

3)根据2)中激振器的输出载荷，以及激振器、配重块、叶片各部位的质量和叶片各截面的刚度等参数，计算出激振器在叶片各截面位置所产生的疲劳力矩幅值与疲劳力矩均值；

4)为了与1)中目标载荷相比照，采用疲劳载荷平均应力修正方法(本例中采用Goodman平均应力修正方法)，将3)中确定的疲劳载荷进行修正，即将疲劳力矩均值不为零时的疲劳力矩幅值等效转化为均值为零的载荷幅值，从而获得一条新的叶片各截面载荷与截面坐标的关系曲线，该曲线的均值载荷为零；

5)通过调整激励器与配重块的位置与质量，可以获得多组如4)中的载荷曲线，将这些曲线与1)中曲线进行对比，选取出与1)中目标曲线最接近的曲线作为试验载荷曲线。此时需保证试验载荷曲线的载荷值不能高于目标载荷曲线，如果有超出，应对激励器的输出力矩做出调整，保证验载荷曲线的载荷值要低于并接近于目标载荷曲线；

6)考虑到无论对激励器与配重块的位置和质量进行怎样地调整，所获得的试验载荷曲线，与目标曲线都会存在一定的偏差，因此需要定义偏差指标，来判断试验载荷是否合适。

本例中评价准则定义如下：

|(M2-M1)/M1|<5％

其中，M2为各截面实际载荷力矩，M1为各截面目标载荷力矩。

7)将5)中获得的最终试验曲线与1)中目标曲线相比较，按照6)中的评价准则与偏差指标，分别得到载荷差距小于6)中偏差指标的部分(即满足偏差指标的部分)与超出偏差指标的部分，满足偏差指标的定为A部分，超出偏差指标的为B部分；

8)按照5)中获得的试验载荷曲线，对叶片进行第一阶段的疲劳加载测试，按照试验所要求的加载次数进行加载试验，分别获得A、B两部分的测试结果。其中A部分测试结果为该部分的最终结果；

9)对于B部分，由于在第一阶段的载荷幅值低于该部分区域的目标载荷，且二者相对差值大于评定指标，因此该区域的实验结果还不能作为最终结果，需要进行后续的继续加载。此时，需要根据叶片材料的疲劳载荷—寿命曲线(由叶片设计单位提供)，进行叶片疲劳等效分析。即根据B部分各位置的实际载荷值与加载次数，将其等效为目标载荷时的加载次数，由此判断该位置的在目标载荷情况下的剩余加载次数；

10)上述9)中获得的B部分目标载荷的剩余加载次数，将作为后续阶段疲劳测试的初始载荷依据；

11)根据10)中的目标载荷与剩余加载次数，重新对叶片的B部分设计测试方案，具体步骤重复前面2)-9)的步骤，而这一阶段A部分因为已达到测试要求，后期将不再对其予以考虑和评估，在后期测试中，可根据测试需要对A部分进行必要的加固或去除。

经过这一阶段的测试，可将前述B中的区域又重新分成两部分，一部分达到测试要求，一部分没有达到测试要求，留待下一阶段继续测试；

12)经过若干阶段的实施，即若干次上述步骤的循环后，可实现叶片各截面位置的加载情况最终都等效于该位置目标载荷幅值与加载次数的要求；

13)通过上述步骤，完成最终疲劳测试工作。

通过以上步骤的实施，实现了对该叶片分阶段疲劳测试工作。

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 (6)

1.一种分阶段加载的风力机叶片的疲劳测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

SS1.根据设计单位所提供的疲劳载荷谱，绘制叶片不同截面位置的载荷值与位置坐标之间的关系曲线，该曲线中的载荷值为各截面疲劳力矩的幅值，各截面的力矩均值为零，该曲线载荷即为叶片疲劳测试的目标曲线；

SS2.在叶片一定位置安放激振器和若干质量配重块，通过调节激振器与质量配重块的位置和质量以及激振质量，产生叶片所需要的加载力矩；

SS3.根据步骤SS2中激振器的输出载荷，以及激振器、配重块、叶片各部位的质量和叶片各截面的刚度，计算出激振器在叶片各截面位置所产生的疲劳力矩幅值与疲劳力矩均值，叶片重量以及加载装置质量导致叶片的疲劳力矩均值不为零；

SS4.采用疲劳载荷平均应力修正方法，将步骤SS3中确定的疲劳载荷进行修正，将疲劳力矩均值不为零时的疲劳力矩幅值等效转化为均值为零的载荷幅值，获得一条新的叶片各截面载荷与截面坐标的关系曲线，该曲线的均值载荷为零；

SS5.通过调整激励器与配重块的位置与质量，获得多组步骤SS4中的关系曲线，将这些曲线与步骤SS1中的目标曲线进行对比，选取出与步骤SS1中目标曲线最接近的曲线作为试验载荷曲线；

SS6.设定试验载荷曲线与目标曲线之间的偏差指标；

SS7.将步骤SS5中获得的最终试验载荷曲线与步骤SS1中目标曲线相比较，计算叶片各截面位置上述两曲线力矩载荷之差，分别得到二者载荷差距小于步骤SS6中偏差指标的部分与超出偏差指标的部分，满足偏差指标的定为A部分，超出偏差指标的为B部分；

SS8.按照步骤SS5中获得的试验载荷曲线，对叶片进行第一阶段的疲劳加载测试，按照试验所要求的加载次数进行加载试验，分别获得A、B两部分的测试结果，其中A部分测试结果为该部分的最终结果；

SS9.对于B部分，根据叶片材料的疲劳载荷-寿命曲线，进行叶片疲劳等效分析，即根据B部分各位置的实际载荷值与加载次数，将其等效为目标载荷时的加载次数，由此判断该位置的在目标载荷情况下的剩余加载次数；

SS10.上述步骤SS9中获得的B部分目标载荷的剩余加载次数，作为后续阶段疲劳测试的初始载荷依据；

SS11.根据步骤SS10中的目标载荷与剩余加载次数，重新对叶片的B部分重复步骤SS2～SS9；经过这一阶段的测试，可将前述B部分中的区域又重新分成两部分，一部分达到测试要求，一部分没有达到测试要求，留待下一阶段继续测试；

SS12.经过若干阶段的实施，即若干次上述步骤的循环后，可实现叶片各截面位置的加载情况最终都等效于该位置目标载荷幅值与加载次数的要求；

SS13.通过上述步骤，最终完成叶片的疲劳测试工作。

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测试，其前提在于有相应叶片各截面位置的目标疲劳载荷力矩曲线，该曲线来自叶片设计要求。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤SS6中，需要确定实际加载载荷是否满足目标载荷的偏差指标，偏差指标公式如下：

|M2-M1|<a 公式(1)

|(M2-M1)/M1|<b 公式(2)

其中，M2为各截面实际载荷力矩，M1为各截面目标载荷力矩，a、b值的选取，可根据不同叶片测试的加载与测试精度要求予以确定。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤SS5中，所选取的试验载荷曲线的载荷值不能高于目标载荷曲线，如果有超出，应对激励器的输出力矩做出调整，保证试验载荷曲线的载荷值要低于并接近于目标载荷曲线。

5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤SS6中，所述偏差指标根据不同测试试验所要求的加载精度及误差限定范围来确定。

6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤SS11中，这一阶段A部分因为已达到测试要求，后期将不再对其予以考虑和评估，在后期测试中，可根据测试需要对A部分进行必要的加固或去除。