CN111721491A - 风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法和两轴加载设备 - Google Patents

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Abstract

一种风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法和两轴加载设备，通过调节风机全尺寸叶片上的配重来调整叶片的挥舞频率和摆振频率，令挥舞频率等于摆振频率，此时风机全尺寸叶片的运动轨迹为直线型，或者，令摆振频率为挥舞频率的大于等于二的整数倍，此时风机全尺寸叶片的运动轨迹为“8”字型，同时通过激振器提供与风机全尺寸叶片的运动轨迹方向相匹配的激振力，降低了叶片在两轴加载时运动轨迹的复杂性，减小了两轴加载设备研制的困难度，节约了成本。

Description

风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法和两轴加载设备
技术领域
本发明涉及风机叶片型式验证领域，尤其涉及一种风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法和两轴加载设备。
背景技术
在全尺寸叶片的型式验证中，目前疲劳测试分成挥舞方向(竖直方向)和摆振方向(水平方向)加载。在风力机运行过程中，叶片时刻受到挥舞和摆振方向的复合载荷。把复合的载荷区分为挥舞方向和摆振方向的包络曲线，叶片虽然通过挥舞方向和摆振方向的疲劳测试，仍然不足以验证风机在整个生命周期中的安全性。整个测试周期过程中，把叶片分成挥舞方向和摆振方向测试，增加了风机叶片的测试周期，同时占用了测试平台的时间。总之，目前的测试方法不能完成模拟叶片的实际运行工况，而且测试周期变长。
发明内容
本发明提供一种风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法和两轴加载设备，通过调整叶片摆振方向与挥舞方向的频率之比，降低了叶片在两轴加载时运动轨迹的复杂性，降低了两轴加载设备研制的复杂性，减少了零部件，降低了成本，提高了两轴加载设备的可靠性，提出了解决两轴加载时材料疲劳累积损伤评估的方法，真实反应了材料受到复合载荷时的损伤累积。
为了达到上述目的，本发明提供一种风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法，包含以下步骤：
调节叶片上的配重来调整所述叶片的挥舞频率和摆振频率，使得摆振频率为挥舞频率的整数倍；
通过激振器提供与所述叶片的运动轨迹方向相匹配的激振力；
对两轴加载的所述叶片的疲劳累积损伤进行统计，得到关键截面的疲劳累积损伤值。
所述的调整所述叶片的挥舞频率等于摆振频率的步骤包含：对所述叶片的摆振方向或者挥舞方向进行单向配重，使所述挥舞频率等于所述摆振频率。
所述的调整所述叶片的摆振频率为挥舞频率的整数倍的步骤包含：对所述叶片的摆振方向和挥舞方向进行两轴配重，使叶片的摆振频率为挥舞频率的大于等于二的整数倍。
所述的对两轴加载的所述叶片的疲劳累积损伤进行统计的步骤包含：
将叶片的挥舞方向的疲劳弯矩和剪力，以及摆振方向的疲劳弯矩和剪力转化为材料的正应变和剪应变；
采用第二强度理论将所述正应变和所述剪应变转化为等效应变；
根据所述等效应变计算所述疲劳累积损伤值。
本发明还提供一种两轴加载设备，用于对风机全尺寸叶片进行配重和激振，完成所述的风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法，所述的两轴加载设备包含：至少一个配重装置，以及至少一个激振器，所述配重装置用于改变所述叶片的所述挥舞频率和/或所述摆振频率，所述激振器用于提供所述叶片按照目标运动轨迹运动所需要的能量。
所述配重装置对所述叶片的所述摆振方向或者所述挥舞方向进行单向配重，使所述挥舞频率等于所述摆振频率。
所述配重装置对所述叶片的所述摆振方向和所述挥舞方向进行两轴配重，使所述摆振频率为所述挥舞频率的大于等于二的整数倍。
本发明通过调整叶片摆振方向与挥舞方向的频率之比，降低了叶片在两轴加载时运动轨迹的复杂性，降低了两轴加载设备研制的复杂性，降低了成本，提高了两轴加载设备的可靠性。
附图说明
图1是两轴加载过程中叶片的复杂运动轨迹。
图2～图4是叶片运动轨迹曲线图。
图5是本发明提供的一种风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法的流程图。
图6是本发明一个实施例中的两轴加载设备对风机全尺寸叶片进行配重和激振的示意图。
图7是本发明的另一个实施例中的两轴加载设备对风机全尺寸叶片进行配重和激振的示意图。
具体实施方式
以下根据图1～图7，具体说明本发明的较佳实施例。
采用两轴加载的疲劳测试方法是提高叶片疲劳测试水平的内在要求。两轴加载疲劳测试要解决两个问题。第一，两轴加载疲劳测试过程中，叶片材料(构成叶片的单向布，双轴布，三轴布，结构胶和芯材等)的累积损伤的评估方法；第二，在两轴加载过程中，叶片的运动轨迹非常复杂，如图1所示，需要设计复杂的两轴加载设备使得叶片按照预定的轨迹运动，因此要提出解决方案降低两轴加载过程中运动轨迹的复杂性。两轴加载等效疲劳累积损伤统计方法和叶片运动轨迹控制，二者属于不可分开、相辅相成的关系。一方面，叶片的挥舞方向和摆振方向的复合载荷需要转化为材料的等效应变谱进行疲劳损伤的统计；另一方面，叶片在挥舞方向和摆振方向的复合载荷作用下，会产生复杂的运动轨迹，两轴加载设备需要根据预设的运动轨迹进行加载控制，也就是说叶片的两轴加载运动轨迹决定了加载设备的运动控制。
本发明所提出的方法可以降低叶片两轴加载时运动轨迹的复杂性，把复杂的叶片运动轨迹，转换成简单，有规律的运动轨迹，降低加载设备的研制难度，提高加载设备的可靠性。例如，根据图2所示，当摆振频率是挥舞频率的1到2倍之间时，叶片的运动轨迹的复杂度大大下降；根据图3所示，当摆振频率是挥舞频率的大于等于2的整数倍时，即倍频共振时，叶片的运动轨迹呈现有规则的“8”字型；根据图所示，当摆振频率与挥舞频率相同时，即同频共振时，叶片的运动轨迹呈现直线型共振。在一些实施例中,通过基于伺服电机的激振设备对叶片进行加载时，实现叶片按照预设定的运动轨迹进行矢量运动时,因降低运动轨迹的复杂性，降低加载设备的研制难度，同时提升加载设备的可靠性。进一步地，为了解决复合加载受力时材料的疲劳累积损伤统计和评估，本发明的一些实施例还提出了叶片两轴加载时材料疲劳累积损伤的统计方法，使材料的疲劳累积损伤的统计符合实际工况；
如图5所示，本发明提供一种风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法，包含以下步骤：
步骤S1、通过调节风机叶片上的配重来调整叶片在挥舞方向上的振动频率(简称挥舞频率)和叶片在摆振方向上的振动频率(简称摆振频率)，令挥舞频率等于摆振频率，此时风机全尺寸叶片的运动轨迹为直线型，或者，令摆振频率为挥舞频率的大于等于2的整数倍，此时风机全尺寸叶片的运动轨迹为“8”字型，同时通过激振器提供与风机全尺寸叶片的运动轨迹方向相匹配的激振力。
步骤S2、对两轴加载的风机全尺寸叶片的疲劳累积损伤进行统计，得到关键截面的疲劳累积损伤值。
进一步，所述的步骤S1中，调整风机全尺寸叶片的挥舞频率等于摆振频率的方法包含：采用单向配重(即配重只会对叶片的摆振方向或者挥舞方向产生作用，简称“单向配重”)的方式调整叶片的挥舞频率和摆振频率，使叶片的挥舞频率等于摆振频率，叶片的运动轨迹为直线型。
通过单向配重的方式使摆振频率等于挥舞频率，可以极大的降低叶片运动轨迹的复杂性，降低两轴加载设备研制的复杂性，提高两轴加载设备的可靠性和寿命。
所述的步骤S1中，调整风机全尺寸叶片的摆振频率为挥舞频率的大于等于2的整数倍的方法包含：调节叶片的摆振方向和挥舞方向上的配重，使叶片的摆振频率为挥舞频率的大于等于2整数倍，叶片的运动轨迹为“8”字型，也有利于降低两轴加载设备的研制难度，提高加载设备的可靠性。
在本发明的一个实施例中，所述的步骤S2还包含以下步骤：
步骤S2.1、将挥舞方向和摆振方向的疲劳弯矩和剪力转化为材料的正应变和剪应变,例如通过以下转换矩阵[a]：
Figure BDA0002594588050000041
其中，[a]为6×6的转换矩阵，Mx、My、Mz分别是x轴、y轴和z轴的疲劳弯矩，Fx、Fy、Fz分别是x轴、y轴和z轴的剪力，εx,εy,εz分别是x轴、y轴和z轴的正应变，γxy,γyz,γzx分别是x轴、y轴和z轴的剪应变；
进一步地，可以通过把挥舞疲劳载荷和摆振疲劳载荷施加到叶片数值模型(叶片数值模型可为有限元建模)中，得到关键点的正应变和剪应变，每个关键点处都需要一个转换矩阵，考虑6个载荷分量，每种载荷工况下载荷分量分别为：Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz，得到转换矩阵[a]的一种方法示例如下：
第一步，把关键点所在截面至少拉长为弦长的20倍的2D等截面有限元模型，选取叶片段上长度的中间位置作为提取矩阵数值的位置；
第二步，截面的一端固定约束，另一端分别施加叶片截面上的单位外载荷，例如施加Mx＝1、My＝0、Mz＝0、Fx＝0、Fy＝0、Fz＝0的外载荷，就可以得到转换矩阵中第一列元素的值，同理可得其他列的元素；
步骤S2.2、将材料的正应变和剪应变转化为等效应变；
为了得到各应力状态下所产生的疲劳损伤，必须用一个等效应变来代替复杂的应变状态，这里采用第二强度理论来生成等效应变，这一理论认为最大拉应变是引起断裂的主要因素。
例如，得到等效应变的方法如下，已知一点处的应力状态εx,εy,εz,γxy,γyz,γzx，则第一、二、三应变不变量分别为：
I1＝εx+εy+εz
Figure BDA0002594588050000051
Figure BDA0002594588050000052
三个主应变即为方程ε3-I1ε2+I2ε-I3＝0的根，第一主应变为三个根中的最大值，并将其作为等效应变；
步骤S2.5、根据所述等效应变计算所述疲劳累积损伤值。例如按照Palmgren-miner线性疲劳损伤叠加原理计算疲劳累积损伤值。
优选的，对两轴加载的疲劳累积损伤进行统计时，也可以采用材料的应力幅值和均值进行统计。
本发明还提供一种两轴加载设备，用于对风机全尺寸叶片进行配重和激振，完成风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试。
所述的两轴加载设备包含：至少一个配重装置，以及至少一个激振器。所述的配重装置用于改变风机全尺寸叶片的挥舞频率和/或摆振频率，所述的激振器用于提供风机全尺寸叶片按照目标运动轨迹运动所需要的能量。
在本发明的一个实施例中，利用所述的两轴加载设备对风机全尺寸叶片进行单向配重，以使叶片的挥舞频率等于摆振频率，使叶片的运动轨迹为直线型。
具体来说，如图6所示，
第一，采用摆振方向进行单向配重的方式，调整叶片摆振方向的共振频率，使之与叶片挥舞方向的共振频率相等。叶片102与测试平台101法兰相连，叶片的PS面(压力面)朝上，SS面(吸力面)朝下，叶片弦长与地面呈平行方向。配重块103通过刚性梁104与叶片102相联，为了降低该刚性梁104对挥舞方向振动频率的影响，该刚性梁104需要设计得既轻且长。配重块103安装在与叶片102位于同一水平面的塔架105上，配重块103的底部通过动滑轨与塔架105相连，配重块103的运动方向与叶片102的摆振方向相同。
第二，根据叶片的数值模型计算单向配重的配重块103的质量，该配重块103在叶片摆振方向起作用，通过单向配重增加叶片在摆振自由度的重量，使摆振频率降低，但是配重块103对叶片挥舞方向频率的影响可以忽略不计。通过降低叶片摆振方向的频率，使得挥舞和摆振方向的频率相同。在叶片上安装相应的配重块103。在其他实施例中，亦可通过单向配种调整挥舞频率。
第三，激振器106与叶片呈夹角的方式斜向下角度安装，激振器106的倾角与地面垂直方向的正切为该叶片截面摆振方向的幅值与挥舞方向的幅值之比。
第四，在叶片的关键位置(主要是叶片的前缘，后缘梁，壳体主梁等位置)安装应变片，根据步骤S2中统计应变和疲劳累积损伤的方法，得到关键截面的疲劳累积损伤值。
在本发明的另一个实施例中，利用所述的两轴加载设备对风机全尺寸叶片进行两轴配重，使叶片的摆振频率为挥舞频率的大于等于2的整数倍，使叶片的运动轨迹为“8”字型。
具体来说，如图7所示，采用两轴配重的方案实现对风机全尺寸叶片的两轴加载。
第一，叶片102与测试平台101法兰相连，根据叶片数值模型计算出所需配重的质量，在叶片102上相应位置设置配重块103，使得摆振方向的频率是挥舞方向的大于等于2的整数倍，从而使得叶片的运动轨迹为“8”字型。
第二，令两个伺服电机驱动的激振器106的加载轴呈垂直角度，，垂直角度有利于分配360°方向上所需的激振力，将叶片运动轨迹的相关参数输入激振器的控制系统，使得叶片在加载过程中，按照该轨迹进行运动。
第三，在叶片的关键位置安装应变片，根据步骤S2中统计应变和疲劳累积损伤的方法，得到关键截面的疲劳累积损伤值。
优选的，激振器可以选择伺服电机加载，液压驱动加载，电磁式驱动加载或者惯性式伺服电机加载设备。
进一步的，为了叶片挥舞和摆振方向的弯矩分布能够包络目标曲线，用多个激振器并联的方式对叶片进行加载。
本发明通过调整叶片摆振方向与挥舞方向的频率之比，降低了叶片在两轴加载时运动轨迹的复杂性，降低了两轴加载设备研制的复杂性，降低了成本，提高了两轴加载设备的可靠性。在部分实施例中，本发明还提出了解决两轴加载时材料疲劳累积损伤评估的方法，真实反应了材料受到复合载荷时的损伤累积。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法，其特征在于，包含以下步骤：
调节叶片上的配重来调整所述叶片的挥舞频率和摆振频率，使得摆振频率为挥舞频率的整数倍；
通过激振器提供与所述叶片的运动轨迹方向相匹配的激振力；
对两轴加载的所述叶片的疲劳累积损伤进行统计，得到关键截面的疲劳累积损伤值。
2.如权利要求1所述的风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法，其特征在于，所述的调整所述叶片的挥舞频率等于摆振频率的步骤包含：对所述叶片的摆振方向或者挥舞方向进行单向配重，使所述挥舞频率等于所述摆振频率。
3.如权利要求1所述的风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法，其特征在于，所述的调整所述叶片的摆振频率为挥舞频率的整数倍的步骤包含：对所述叶片的摆振方向和挥舞方向进行两轴配重，使叶片的摆振频率为挥舞频率的大于等于二的整数倍。
4.如权利要求1所述的风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法，其特征在于，所述的对两轴加载的所述叶片的疲劳累积损伤进行统计的步骤包含：
将叶片的挥舞方向的疲劳弯矩和剪力，以及摆振方向的疲劳弯矩和剪力转化为材料的正应变和剪应变；
采用第二强度理论将所述正应变和所述剪应变转化为等效应变；
根据所述等效应变计算所述疲劳累积损伤值。
5.一种两轴加载设备，用于对风机全尺寸叶片进行配重和激振，完成如权利要求1-4中任意一项所述的风机全尺寸叶片两轴加载疲劳测试方法，其特征在于，所述的两轴加载设备包含：至少一个配重装置，以及至少一个激振器，所述配重装置用于改变所述叶片的所述挥舞频率和/或所述摆振频率，所述激振器用于提供所述叶片按照目标运动轨迹运动所需要的能量。
6.如权利要求5所述的两轴加载设备，其特征在于，所述配重装置对所述叶片的所述摆振方向或者所述挥舞方向进行单向配重，使所述挥舞频率等于所述摆振频率。
7.如权利要求5所述的两轴加载设备，其特征在于，所述配重装置对所述叶片的所述摆振方向和所述挥舞方向进行两轴配重，使所述摆振频率为所述挥舞频率的大于等于二的整数倍。
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