CN112380642A - 一种风电机组叶片纤维间失效预测方法和装置 - Google Patents

一种风电机组叶片纤维间失效预测方法和装置 Download PDF

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CN112380642A CN202011161923.7A CN202011161923A CN112380642A CN 112380642 A CN112380642 A CN 112380642A CN 202011161923 A CN202011161923 A CN 202011161923A CN 112380642 A CN112380642 A CN 112380642A
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薛扬
付德义
贾海坤
王安庆
龚利策
李松迪
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Abstract

本发明提供一种风电机组叶片纤维间失效预测方法和装置，利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在极限载荷作用下下各截面段产生的横向应力和剪切应力；基于叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力计算叶片的纤维间失效系数；基于叶片的纤维间失效系数对叶片的纤维间失效进行预测，通过叶片有限元模型最终得到纤维间失效系数，并通过纤维间失效系数实现叶片纤维间失效的预测，叶片的纤维间失效具有可预测性，节省了叶片有限元模型的计算时间，提高了预测效率和精确度。

Description

一种风电机组叶片纤维间失效预测方法和装置
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纤维间失效预测方法和装置。
背景技术
风电机组是将风能有效转化为电能的大型设备，而风电机组叶片是风电机组中主要的承载部件。由于叶片所处工作环境十分恶劣，承受着复杂的随机交变载荷，容易发生纤维间失效破坏，从而导致风轮乃至整个风电机组失效停机。所以风电机组的纤维间失效分析至关重要。为了保证风电机组在使用时的可靠、稳定运行，有必要对叶片的纤维间失效进行准确地预估。
纤维间失效是指平行于纤维方向贯穿整个单层厚度的裂纹，纤维间失效包括基体裂纹和纤维/基体界面裂纹。现有技术大多采用整体有限元方法建模，并通过模型直接输出预测结果，模型网格量巨大，计算缓慢，并且叶片的设计是个反复修改、迭代的过程，有限元模型计算时间消耗较大，无法迅速响应，导致预测效率低。
发明内容
为了克服上述现有技术中预测效率低的不足，本发明提供一种风电机组叶片纤维间失效预测方法，包括：
利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力；
基于所述叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力计算叶片的纤维间失效系数；
基于所述叶片的纤维间失效系数对叶片的纤维间失效进行预测。
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；
对叶片三维模型进行后缘及叶尖处理，之后采用壳单元将处理后的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。
所述叶片的纤维间失效系数按下式计算：
Figure BDA0002744507340000021
式中，f为叶片的纤维间失效系数，
Figure BDA0002744507340000022
为叶片的横向压缩强度，
Figure BDA0002744507340000023
为叶片的横向拉伸强度，R⊥||为叶片的纵向剪切强度，τ21为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的剪切应力，σ2为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力，
Figure BDA0002744507340000024
为纵向剪切作用时的拉伸倾角参数，
Figure BDA0002744507340000025
为纵向剪切作用时的压缩倾角参数，
Figure BDA0002744507340000026
为横向剪切作用时的压缩倾角参数，τ21,为叶片在转折点的剪切应力，
Figure BDA0002744507340000027
为叶片在转折点的强度。
所述τ21,和
Figure BDA0002744507340000028
按下式计算：
Figure BDA0002744507340000029
Figure BDA00027445073400000210
所述基于所述叶片的纤维间失效系数对叶片的纤维间失效进行预测，包括：
判断叶片的纤维间失效系数是否大于等于1，若是，确定叶片出现纤维间失效，否则，确定叶片未出现纤维间失效。
另一种方面，本发明还提供一种风电机组叶片纤维间失效预测装置，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极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力；
第二计算模块，用于基于所述叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力计算叶片的纤维间失效系数；
预测模块，用于基于所述叶片的纤维间失效系数对叶片的纤维间失效进行预测。
还包括建模模块，所述建模模块用于：
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；
对叶片三维模型进行后缘及叶尖处理，之后采用壳单元将处理后的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。
所述第二计算模块按下式计算叶片的纤维间失效系数：
Figure BDA0002744507340000031
式中，f为叶片的纤维间失效系数，
Figure BDA0002744507340000032
为叶片的横向压缩强度，
Figure BDA0002744507340000033
为叶片的横向拉伸强度，R⊥||为叶片的纵向剪切强度，τ21为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的剪切应力，σ2为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力，
Figure BDA0002744507340000034
为纵向剪切作用时的拉伸倾角参数，
Figure BDA0002744507340000035
为纵向剪切作用时的压缩倾角参数，
Figure BDA0002744507340000036
为横向剪切作用时的压缩倾角参数，τ21,为叶片在转折点的剪切应力，
Figure BDA0002744507340000037
为叶片在转折点的强度。
所述第二计算模块按下式计算τ21,和
Figure BDA0002744507340000038
Figure BDA0002744507340000039
Figure BDA00027445073400000310
所述预测模块具体用于：
判断叶片的纤维间失效系数是否大于等于1，若是，确定叶片出现纤维间失效，否则，确定叶片未出现纤维间失效。
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纤维间失效预测方法中，利用预先构建的叶片有限元模型计算叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力；基于叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力计算叶片的纤维间失效系数；基于叶片的纤维间失效系数对叶片的纤维间失效进行预测，通过叶片有限元模型最终得到纤维间失效系数，并通过纤维间失效系数实现叶片纤维间失效的预测，节省了叶片有限元模型的计算时间，提高了预测效率；
本发明通过叶片有限元模型计算叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力，并基于横向应力和剪切应力按照公式计算叶片的纤维间失效系数，通过将叶片有限元模型与公式结合，使得叶片的纤维间失效具有可预测性，并且提高了预测的精确度；
本发明计算叶片的纤维间失效系数的计算过程通用化，可适用于叶片不同位置材料比如蒙皮、腹板的计算；
本发明中如果叶片只是载荷更改，只需要修改极限载荷即可，不需要再重复建立计算流程，过程简单。
附图说明
图1是本发明实施例中风电机组叶片纤维间失效预测方法流程图。
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纤维间失效预测方法，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极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力；
S102：基于叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力计算叶片的纤维间失效系数；
S103：基于叶片的纤维间失效系数对叶片的纤维间失效进行预测。
上述S101中的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；
对叶片三维模型进行后缘及叶尖处理，之后采用壳单元将处理后的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。
上述S101中，叶片的极限载荷采用载荷计算软件计算。
上述S102中，综合考虑垂直于纤维方向的应力及剪切应力共同对纤维间失效系数的影响，叶片的纤维间失效系数按下式计算：
Figure BDA0002744507340000051
式中，f为叶片的纤维间失效系数，
Figure BDA0002744507340000052
为叶片的横向压缩强度，
Figure BDA0002744507340000053
为叶片的横向拉伸强度，R⊥||为叶片的纵向剪切强度，τ21为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的剪切应力，σ2为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力，
Figure BDA0002744507340000054
为纵向剪切作用时的拉伸倾角参数，
Figure BDA0002744507340000055
为纵向剪切作用时的压缩倾角参数，
Figure BDA0002744507340000056
为横向剪切作用时的压缩倾角参数，τ21,为叶片在转折点的剪切应力，
Figure BDA0002744507340000057
为叶片在转折点的强度。其中，τ21,和
Figure BDA0002744507340000058
按下式计算：
Figure BDA0002744507340000059
Figure BDA00027445073400000510
本发明实施例1将将纤维间的失效模式分为以下三种模式：1)模式A：主要为横向拉伸伴随剪切；2)模式B：主要为剪切伴随横向压缩；3)模式C：主要为横向压缩伴随剪切。当叶片的纤维间的失效模式为模式A时，σ2≥0，采用
Figure BDA00027445073400000511
计算叶片的纤维间失效系数，当叶片的纤维间的失效模式为模式B时，σ2＜0且
Figure BDA00027445073400000512
采用f＝σ2＜0且
Figure BDA00027445073400000513
计算叶片的纤维间失效系数，当叶片的纤维间的失效模式为模式C时，σ2＜0且
Figure BDA00027445073400000514
采用
Figure BDA00027445073400000515
计算叶片的纤维间失效系数。
上述S103中，基于叶片的纤维间失效系数对叶片的纤维间失效进行预测，具体是判断叶片的纤维间失效系数是否大于等于1，若是，确定叶片出现纤维间失效，否则，确定叶片未出现纤维间失效。纤维间失效系数也称为安全系数，其为叶片实际应力与许用应力的比值，当实际应力大于许用应力，即实际应力与许用应力的比值大于1时，叶片的结构会发生改变，即叶片出现纤维间失效，当实际应力小于等于许用应力，即实际应力与许用应力的比值小于等于1时，叶片的结构不会发生改变，即叶片未出现纤维间失效。
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纤维间失效预测装置，包括第一计算模块、第二计算模块和预测模块，下面对各个组成部分的功能进行详细说明：
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极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力；
第二计算模块，用于基于叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力计算叶片的纤维间失效系数；
预测模块，用于基于叶片的纤维间失效系数对叶片的纤维间失效进行预测。
本发明实施例2提供的风电机组叶片纤维间失效预测装置还包括建模模块，建模模块用于：
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；
对叶片三维模型进行后缘及叶尖处理，之后采用壳单元将处理后的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。
第二计算模块按下式计算叶片的纤维间失效系数：
Figure BDA0002744507340000061
式中，f为叶片的纤维间失效系数，
Figure BDA0002744507340000062
为叶片的横向压缩强度，
Figure BDA0002744507340000063
为叶片的横向拉伸强度，R⊥||为叶片的纵向剪切强度，τ21为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的剪切应力，σ2为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力，
Figure BDA0002744507340000064
为纵向剪切作用时的拉伸倾角参数，
Figure BDA0002744507340000065
为纵向剪切作用时的压缩倾角参数，
Figure BDA0002744507340000066
为横向剪切作用时的压缩倾角参数，τ21,为叶片在转折点的剪切应力，
Figure BDA0002744507340000067
为叶片在转折点的强度。
第二计算模块按下式计算τ21,和
Figure BDA0002744507340000068
Figure BDA0002744507340000069
Figure BDA00027445073400000610
预测模块具体用于：
判断叶片的纤维间失效系数是否大于等于1，若是，确定叶片出现纤维间失效，否则，确定叶片未出现纤维间失效。纤维间失效系数也称为安全系数，其为叶片实际应力与许用应力的比值，当实际应力大于许用应力，即实际应力与许用应力的比值大于1时，叶片的结构会发生改变，即叶片出现纤维间失效，当实际应力小于等于许用应力，即实际应力与许用应力的比值小于等于1时，叶片的结构不会发生改变，即叶片未出现纤维间失效。为了描述的方便，以上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纤维间失效预测方法，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极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力；
基于所述叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力计算叶片的纤维间失效系数；
基于所述叶片的纤维间失效系数对叶片的纤维间失效进行预测。
2.根据权利要求1所述的风电机组叶片纤维间失效预测方法，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；
对叶片三维模型进行后缘及叶尖处理，之后采用壳单元将处理后的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纤维间失效预测方法，其特征在于，所述叶片的纤维间失效系数按下式计算：
Figure FDA0002744507330000011
式中，f为叶片的纤维间失效系数，
Figure FDA0002744507330000012
为叶片的横向压缩强度，
Figure FDA0002744507330000013
为叶片的横向拉伸强度，R⊥||为叶片的纵向剪切强度，τ21为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的剪切应力，σ2为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力，
Figure FDA0002744507330000014
为纵向剪切作用时的拉伸倾角参数，
Figure FDA0002744507330000015
为纵向剪切作用时的压缩倾角参数，
Figure FDA0002744507330000016
为横向剪切作用时的压缩倾角参数，τ21,c为叶片在转折点的剪切应力，
Figure FDA0002744507330000017
为叶片在转折点的强度。
4.根据权利要求3所述的风电机组叶片纤维间失效预测方法，其特征在于，所述τ21,c和
Figure FDA0002744507330000018
按下式计算：
Figure FDA0002744507330000019
Figure FDA0002744507330000021
5.根据权利要求1所述的风电机组叶片纤维间失效预测方法，其特征在于，所述基于所述叶片的纤维间失效系数对叶片的纤维间失效进行预测，包括：
判断叶片的纤维间失效系数是否大于等于1，若是，确定叶片出现纤维间失效，否则，确定叶片未出现纤维间失效。
6.一种风电机组叶片纤维间失效预测装置，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极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力；
第二计算模块，用于基于所述叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力和剪切应力计算叶片的纤维间失效系数；
预测模块，用于基于所述叶片的纤维间失效系数对叶片的纤维间失效进行预测。
7.根据权利要求6所述的风电机组叶片纤维间失效预测装置，其特征在于，还包括建模模块，所述建模模块用于：
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；
对叶片三维模型进行后缘及叶尖处理，之后采用壳单元将处理后的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。
8.根据权利要求6所述的风电机组叶片纤维间失效预测装置，其特征在于，所述第二计算模块按下式计算叶片的纤维间失效系数：
Figure FDA0002744507330000022
式中，f为叶片的纤维间失效系数，
Figure FDA0002744507330000023
为叶片的横向压缩强度，
Figure FDA0002744507330000024
为叶片的横向拉伸强度，R⊥||为叶片的纵向剪切强度，τ21为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的剪切应力，σ2为叶片在极限载荷作用下各截面段产生的横向应力，
Figure FDA0002744507330000025
为纵向剪切作用时的拉伸倾角参数，
Figure FDA0002744507330000026
为纵向剪切作用时的压缩倾角参数，
Figure FDA0002744507330000027
为横向剪切作用时的压缩倾角参数，τ21,c为叶片在转折点的剪切应力，
Figure FDA0002744507330000031
为叶片在转折点的强度。
9.根据权利要求8所述的风电机组叶片纤维间失效预测装置，其特征在于，所述第二计算模块按下式计算τ21,c和
Figure FDA0002744507330000032
Figure FDA0002744507330000033
Figure FDA0002744507330000034
10.根据权利要求6所述的风电机组叶片纤维间失效预测装置，其特征在于，所述预测模块具体用于：
判断叶片的纤维间失效系数是否大于等于1，若是，确定叶片出现纤维间失效，否则，确定叶片未出现纤维间失效。
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