CN112115626A - 一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法和装置 - Google Patents

一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法和装置 Download PDF

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王瑞明
薛扬
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王安庆
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Abstract

本发明提供一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法和装置，利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变；基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数；基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测，采用叶片有限元模型得到叶片单位载荷作用下各截面段产生的最大应变，避免使用复杂的非线性疲劳损伤模型，大大简化了预测过程，且由于考虑了叶片单位载荷作用下各截面段产生的最大应变，提高了预测结果准确性和预测精度，同时本发明具有较强的通用性，适用于叶片中蒙皮、主梁、腹板等不同位置材料的疲劳寿命预测。

Description

一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法和装置
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法和装置。
背景技术
风电机组是将风能有效转化为电能的大型设备，认证标准规定的设计寿命为20年，所以风电机组的疲劳寿命分析至关重要。叶片作为风电机组重要的结构部件，所处工作环境十分恶劣，承受着复杂的随机变幅载荷，很容易发生疲劳破坏，从而导致风轮乃至整个风电机组失效停机。为了提高风电机组在使用时的可靠性，风电机组叶片是风电机组中最为重要的部件有必要对叶片的疲劳寿命进行预测。
叶片疲劳是指叶片在交变载荷作用下损伤不断累积、性能不断降低、直到不能抵抗外载荷而发生断裂的一种叶片失效形式，损伤作为描述叶片疲劳过程中的重要变量，它的确定是计算材料疲劳寿命的关键。
当前风电机组可靠性设计领域的研究中最为常用的是线性疲劳损伤累积理论，由于其形式简单、计算方便，在工程中被广泛应用，但该理论是在一定的假设下提出的，没有考虑载荷间的相互作用效应的影响，认为处于不同损伤阶段具有相同幅度的循环应力，对材料造成相同的损伤。目前一般通过以下几种方式对风电机组叶片疲劳寿命进行预测：1)采用非线性疲劳损伤模型对多轴载荷下机械部件的等效应力进行计算，虽然在一定程度上提高了等效应力的计算精度以及机械部件疲劳寿命的估算精度，但是预测过程复杂；2)以片条理论为基础求得了叶片部位气动载荷分布情况，并采用基于线性疲劳损伤累计理论的玻璃钢风机叶片安全寿命估计方法，但由于其忽略了随机变幅载荷作用过程中载荷间相互作用效应对疲劳损伤的影响，预测结果准确性低。
发明内容
为了克服上述现有技术中预测过程复杂和预测结果准确性低的不足，本发明提供一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法，包括：
利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变；
基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数；
基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测。
所述叶片有限元模型的构建，包括：
采用三维软件建立叶片三维模型，并通过铺层软件将叶片的铺层信息映射到叶片三维模型上，之后通过铺层软件输出铺层文件；
采用壳单元将叶片三维模型进行网格划分，并通过有限元软件对得到的网格进行部件组合和合并自由边，形成叶片网格模型；
将铺层文件导入叶片网格模型，形成叶片有限元模型。
所述基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数，包括：
采用载荷计算软件计算叶片疲劳载荷马可夫矩阵；
基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值；
基于马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值计算叶片的许用载荷循环次数；
基于叶片的许用载荷循环次数计算载荷对叶片产生的损伤；
基于载荷对叶片产生的损伤计算叶片疲劳剩余强度系数。
所述马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值按下式计算：
εm＝Pmε
εamp＝Pampε
式中，εm为马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值，εamp为马可夫矩阵中载荷幅值对应的叶片应变的幅值，Pm为马可夫矩阵中载荷均值，Pamp为马可夫矩阵中载荷幅值，ε为叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变。
所述叶片的许用载荷循环次数按下式计算：
Figure BDA0002628764230000021
式中，N为叶片的许用载荷循环次数，m为叶片应变-许用载荷循环次数曲线的斜率，γMa为叶片所用材料的静强度安全系数，γMb为叶片所用材料的疲劳安全系数，Rk-ten为叶片所用材料的拉伸特征应变，Rk-com为叶片所用材料的压缩特征应变。
所述基于叶片的许用载荷循环次数计算载荷对叶片产生的损伤，包括：
基于叶片的许用载荷循环次数，并采用累计损伤法计算载荷对叶片产生的损伤。
所述叶片疲劳剩余强度系数按下式计算：
S＝[1/D](1/m)
式中，S为叶片疲劳剩余强度系数；D为载荷对叶片产生的损伤。
所述基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测，包括：
判断叶片疲劳剩余强度系数是否大于等于1，若是，确定叶片满足预设寿命年限，否则，叶片不满足预设寿命年限。
另一方面，本发明还提供一种风电机组叶片疲劳寿命预测装置，包括：
第一计算模块，用于利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变；
第二计算模块，用于基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数；
预测模块，用于基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测。
还包括建模模块，所述建模模块具体用于：
采用三维软件建立叶片三维模型，并通过铺层软件将叶片的铺层信息映射到叶片三维模型上，之后通过铺层软件输出铺层文件；
采用壳单元将叶片三维模型进行网格划分，并通过有限元软件对得到的网格进行部件组合和合并自由边，形成叶片网格模型；
将铺层文件导入叶片网格模型，形成叶片有限元模型。
本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的风电机组叶片疲劳寿命预测方法中，利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变；基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数；基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测，采用叶片有限元模型得到叶片单位载荷作用下各截面段产生的最大应变，避免使用复杂的非线性疲劳损伤模型，大大简化了预测过程，且由于考虑了叶片单位载荷作用下各截面段产生的最大应变，提高了预测结果准确性；
本发明基于叶片有限元模型得到叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变，并基于得到叶片疲劳剩余强度系数，使得叶片的疲劳寿命具有可预测性，并且提高了预测的精度；
本发明提供的技术方案具有较强的通用性，适用于叶片中蒙皮、主梁、腹板等不同位置材料的疲劳寿命预测；
本发明提供的技术方案在叶片只是载荷更改情况下，只需要在叶片疲劳剩余强度系数计算流程中替换载荷马可夫矩阵即可，不需要再重复建立叶片有限元模型，过程简单，耗时短，且预测效率高。
附图说明
图1是本发明实施例中风电机组叶片疲劳寿命预测方法流程图；
图2是本发明实施例中风电机组叶片疲劳寿命预测装置结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法，具体流程图如图1所示，具体过程如下：
S101：利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变；
S102：基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数；
S103：基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测。
叶片有限元模型的构建，包括：
采用三维软件建立叶片三维模型，并通过铺层软件将叶片的铺层信息映射到叶片三维模型上，之后通过铺层软件输出铺层文件；
采用壳单元将叶片三维模型进行网格划分，并通过有限元软件对得到的网格进行部件组合和合并自由边，形成叶片网格模型；
将铺层文件导入叶片网格模型，形成叶片有限元模型。
基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数，包括：
采用载荷计算软件计算叶片疲劳载荷马可夫矩阵；本发明实施例1采用的载荷计算软件为bladed软件；
基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值；
基于马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值计算叶片的许用载荷循环次数；
基于叶片的许用载荷循环次数计算载荷对叶片产生的损伤；
基于载荷对叶片产生的损伤计算叶片疲劳剩余强度系数。
基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测，包括：
判断叶片疲劳剩余强度系数是否大于等于1，若是，确定叶片满足预设寿命年限，否则，叶片不满足预设寿命年限。
所述马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值按下式计算：
εm＝Pmε
εamp＝Pampε
式中，εm为马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值，εamp为马可夫矩阵中载荷幅值对应的叶片应变的幅值，Pm为马可夫矩阵中载荷均值，Pamp为马可夫矩阵中载荷幅值，ε为叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变，ε可分为叶片在摆振方向单位载荷(本发明实施例1取摆振方向单位载荷Mx＝1N.m)作用下各截面段产生最大应变以及叶片在挥舞方向单位载荷(本发明实施例1取挥舞方向单位载荷My＝1N.m)作用下各截面段产生最大应变。
叶片的许用载荷循环次数按下式计算：
Figure BDA0002628764230000051
式中，N为叶片的许用载荷循环次数，m为叶片应变-许用载荷循环次数曲线的斜率，γMa为叶片所用材料的静强度安全系数，γMb为叶片所用材料的疲劳安全系数，Rk-ten为叶片所用材料的拉伸特征应变，Rk-com为叶片所用材料的压缩特征应变。
基于叶片的许用载荷循环次数计算载荷对叶片产生的损伤，包括：
基于叶片的许用载荷循环次数，并采用累计损伤法计算载荷对叶片产生的损伤，具体可以用公式
Figure BDA0002628764230000052
计算，D为载荷对叶片产生的损伤，其中，n为马可夫矩阵中叶片的实际循环次数，N为叶片的许用载荷循环次数。
所述叶片疲劳剩余强度系数按下式计算：
S＝[1/D](1/m)
式中，S为叶片疲劳剩余强度系数；D为载荷对叶片产生的损伤。
现有的疲劳预测方法繁琐，耗时长，并且计算结果不精确，本专利通过应用有限元分析与工程算法相结合的方式，使得叶片的疲劳寿命具有可预测性，并且提高了预测的精确度。
实施例2
基于同一发明构思，本发明实施例2还提供一种风电机组叶片疲劳寿命预测装置，如图2所示，包括：
第一计算模块，用于利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变；
第二计算模块，用于基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数；
预测模块，用于基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测。
还包括建模模块，所述建模模块具体用于：
采用三维软件建立叶片三维模型，并通过铺层软件将叶片的铺层信息映射到叶片三维模型上，之后通过铺层软件输出铺层文件；
采用壳单元将叶片三维模型进行网格划分，并通过有限元软件对得到的网格进行部件组合和合并自由边，形成叶片网格模型；
将铺层文件导入叶片网格模型，形成叶片有限元模型。
第二计算模块具体用于：
采用载荷计算软件计算叶片疲劳载荷马可夫矩阵；
基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值；
基于马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值计算叶片的许用载荷循环次数；
基于叶片的许用载荷循环次数计算载荷对叶片产生的损伤；
基于载荷对叶片产生的损伤计算叶片疲劳剩余强度系数。
第二计算模块按下式计算马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值：
εm＝Pmε
εamp＝Pampε
式中，εm为马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值，εamp为马可夫矩阵中载荷幅值对应的叶片应变的幅值，Pm为马可夫矩阵中载荷均值，Pamp为马可夫矩阵中载荷幅值，ε为叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变。
第二计算模块按下式计算叶片的许用载荷循环次数：
Figure BDA0002628764230000071
式中，N为叶片的许用载荷循环次数，m为叶片应变-许用载荷循环次数曲线的斜率，γMa为叶片所用材料的静强度安全系数，γMb为叶片所用材料的疲劳安全系数，Rk-ten为叶片所用材料的拉伸特征应变，Rk-com为叶片所用材料的压缩特征应变。
第二计算模块基于叶片的许用载荷循环次数计算载荷对叶片产生的损伤，包括：
基于叶片的许用载荷循环次数，并采用累计损伤法计算载荷对叶片产生的损伤。
第二计算模块按下式计算叶片疲劳剩余强度系数：
S＝[1/D](1/m)
式中，S为叶片疲劳剩余强度系数；D为载荷对叶片产生的损伤。
预测模块具体用于：
判断叶片疲劳剩余强度系数是否大于等于1，若是，确定叶片满足预设寿命年限，否则，叶片不满足预设寿命年限。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风电机组叶片疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：
利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变；
基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数；
基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测。
2.根据权利要求1所述的风电机组叶片疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述叶片有限元模型的构建，包括：
采用三维软件建立叶片三维模型，并通过铺层软件将叶片的铺层信息映射到叶片三维模型上，之后通过铺层软件输出铺层文件；
采用壳单元将叶片三维模型进行网格划分，并通过有限元软件对得到的网格进行部件组合和合并自由边，形成叶片网格模型；
将铺层文件导入叶片网格模型，形成叶片有限元模型。
3.根据权利要求1所述的风电机组叶片疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数，包括：
采用载荷计算软件计算叶片疲劳载荷马可夫矩阵；
基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值；
基于马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值计算叶片的许用载荷循环次数；
基于叶片的许用载荷循环次数计算载荷对叶片产生的损伤；
基于载荷对叶片产生的损伤计算叶片疲劳剩余强度系数。
4.根据权利要求3所述的风电机组叶片疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值以及载荷幅值对应的叶片应变的幅值按下式计算：
εm＝Pmε
εamp＝Pampε
式中，εm为马可夫矩阵中载荷均值对应的叶片应变的均值，εamp为马可夫矩阵中载荷幅值对应的叶片应变的幅值，Pm为马可夫矩阵中载荷均值，Pamp为马可夫矩阵中载荷幅值，ε为叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变。
5.根据权利要求4所述的风电机组叶片疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述叶片的许用载荷循环次数按下式计算：
Figure FDA0002628764220000021
式中，N为叶片的许用载荷循环次数，m为叶片应变-许用载荷循环次数曲线的斜率，γMa为叶片所用材料的静强度安全系数，γMb为叶片所用材料的疲劳安全系数，Rk-ten为叶片所用材料的拉伸特征应变，Rk-com为叶片所用材料的压缩特征应变。
6.根据权利要求3所述的风电机组叶片疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述基于叶片的许用载荷循环次数计算载荷对叶片产生的损伤，包括：
基于叶片的许用载荷循环次数，并采用累计损伤法计算载荷对叶片产生的损伤。
7.根据权利要求5所述的风电机组叶片疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述叶片疲劳剩余强度系数按下式计算：
S＝[1/D](1/m)
式中，S为叶片疲劳剩余强度系数；D为载荷对叶片产生的损伤。
8.根据权利要求1所述的风电机组叶片疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测，包括：
判断叶片疲劳剩余强度系数是否大于等于1，若是，确定叶片满足预设寿命年限，否则，叶片不满足预设寿命年限。
9.一种风电机组叶片疲劳寿命预测装置，其特征在于，包括：
第一计算模块，用于利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变；
第二计算模块，用于基于叶片在单位载荷作用下各截面段产生的最大应变计算叶片疲劳剩余强度系数；
预测模块，用于基于叶片疲劳剩余强度系数对叶片的疲劳寿命进行预测。
10.根据权利要求9所述的风电机组叶片疲劳寿命预测装置，其特征在于，还包括建模模块，所述建模模块具体用于：
采用三维软件建立叶片三维模型，并通过铺层软件将叶片的铺层信息映射到叶片三维模型上，之后通过铺层软件输出铺层文件；
采用壳单元将叶片三维模型进行网格划分，并通过有限元软件对得到的网格进行部件组合和合并自由边，形成叶片网格模型；
将铺层文件导入叶片网格模型，形成叶片有限元模型。
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