CN112883555A - 一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，包括以下步骤：获取用于叶片载荷提取的输入量；建立极坐标系；获取特征载荷Mxy；将输入的叶片载荷时序投影得到叶片不同方向Mxy载荷时序；获取每个方向的疲劳Markov矩阵；通过疲劳分析得到等效疲劳载荷。上述技术方案根据叶片输入载荷量，以叶片Mx为x轴，My为y轴建立载荷时序建立笛卡尔坐标系，将载荷笛卡尔坐标系转化为极坐标系，以θ，Mxy作为载荷表征量，以θ为判断量统计记录叶片24个方向的极限载荷与特征载荷，通过雨流计数法得到叶片12个方向的Markov矩阵，进一步计算得到等效疲劳载荷，为实现叶片整体详细强度校核提供支持。
Description
技术领域
本发明涉及风电机组载荷提取技术领域，尤其涉及一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法。
背景技术
叶片是风力发电机组重要的组成部分，叶片设计流程主要包括以下几个步骤：1、叶片根据要求完成翼型设计，打包叶片数据包用于风机整机载荷计算；2、风机整机根据设计要求完成整机载荷计算，在整机安全性满足的前提下，提取叶片载荷给与叶片进行强度校核；3、基于整机计算的载荷，根据设计要求进行迭代修正。
有资料显示，叶片详细校核设计需要叶片各截面多方向的极限与疲劳载荷，从而计算得到有限元模型的应力时序进行强度校核，目前整机载荷仿真软件不能直接给出叶片各截面各方向的极限与疲劳载荷，如何进行快速准确的提取叶片各截面多方向载荷是目前亟待解决的技术问题，以提高叶片的设计周期与准确性。
中国专利文献CN206974681U公开了一种“风电机组叶片载荷测量装置”。包括控制设备、不间断电源以及分别布置在沿叶片长度方向上的多个径向测试截面上的多个应变片组；所述控制设备和不间断电源安装在风电机组的叶片根部的隔板上或轮毂上；所述应变片组安装在叶片的内壁上；每个所述应变片组包括两个具有温度自补偿功能的XY型应变片，所述两个XY型应变片组成惠斯通全桥测量电路；同一所述测试截面上布置有位于挥舞方向的第一应变片组和位于摆振方向的第二应变片组。上述技术方案无法快速简易的从机组载荷仿真结果文件中提取叶片各截面不同方向的载荷。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案无法快速简易的从机组载荷仿真结果文件中提取叶片各截面不同方向的载荷的技术问题，提供一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，根据叶片输入载荷量，以叶片Mx为x轴，My为y轴建立载荷时序建立笛卡尔坐标系，将载荷笛卡尔坐标系转化为极坐标系，以θ，Mxy作为载荷表征量，以θ为判断量统计记录叶片24个方向的极限载荷与特征载荷，通过雨流计数法得到叶片12个方向的Markov矩阵，进一步计算得到等效疲劳载荷，为实现叶片整体详细强度校核提供支持。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
(1)获取用于叶片载荷提取的输入量；
(2)建立极坐标系；
(3)获取特征载荷Mxy；
(4)将输入的叶片载荷时序投影得到叶片不同方向Mxy载荷时序；
(5)获取每个方向的疲劳Markov矩阵；
(6)通过疲劳分析得到等效疲劳载荷。
本技术方案能够提取三种不同叶片坐标系载荷，满足不同厂家叶片设计不同坐标系需求；所述叶片截面为叶片的设计时划分截面，截面数量由叶片设计决定；所述叶片多方向载荷包括叶片24个方向的极限载荷以及12个方向的疲劳载荷，疲劳载荷包括0°，15°，30°……165°方向的载荷，由于疲劳载荷的对称性，提取每个方向取±15°的包络，如提取0°方向载荷，即为-15°～15°区间的疲劳Markov矩阵。
作为优选，所述的步骤1中输入量为风力发电机组载荷仿真的叶片截面原始Mx与My载荷时序。
载荷提取输出量如下：
极限载荷Mxy：提取各截面24个方向(每隔15°)各方向的极限载荷，24方向载荷为每隔15°的载荷包络，例如：0°方向载荷为-7.5°～7.5°区间的载荷包络。
特征载荷Mxy：提取各截面24个方向(每隔15°)各方向的特征载荷。
等效疲劳载荷：提取各截面12个方向(每隔15°)的等效疲劳载荷。
疲劳Markov矩阵：提取各截面12个方向(每隔15°)的Markov矩阵，叶片截面数量视模型而定。
作为优选，所述的步骤2具体包括：
(2.1)以叶片Mx为x轴，My为y轴建立载荷时序建立笛卡尔坐标系；
(2.2)将载荷笛卡尔坐标系转化为极坐标系θ-My；
(2.3)以θ，Mxy作为载荷表征量，以θ为判断量将叶片载荷Mxy时序划分至不同方向区间。
作为优选，所述的步骤2.3将叶片载荷Mxy时序划分为24方向，所述24方向载荷为每隔15°的载荷包络，其中，
以θ作为判断依据来划分Mxy时序所属方向区间。
作为优选，所述的步骤3统计不同角度区间叶片载荷Mxy的最大值作为该角度区间的极限载荷Mxy，根据IEC标准设置载荷工况安全系数，加上安全系数作为特征载荷Mxy。
作为优选，所述的步骤4将原始Mx与My载荷时序投影至24个方向上，通道合并得到叶片24个方向Mxy载荷时序。
作为优选，所述的步骤4将叶片Mx与My载荷投影到各方向，得到各方向Mxy载荷时序，所述投影如下：
Bladed 1 polar Mxy at 0deg＝Mx*cos(0)+My*sin(0)
Bladed 1 polar Mxy at 15deg＝Mx*cos(15)+My*sin(15)
Bladed 1 polarMxyat30deg＝Mx*cos(30)+My*sin(30)
......
Bladed 1 polar Mxy at 345deg＝Mx*cos(345)+My*sin(345)。
作为优选，所述的步骤5对每个方向载荷时序进行雨流循环统计，获取得到该截面12个方向的疲劳Markov矩阵。
作为优选，所述的雨流循环计算过程包括以下步骤：
(5.1)搜寻应力关系曲线以通过转折点的识别来确定相继的峰值与谷值；
(5.2)重新排序相继的峰值与谷值，使该序列由应力关系曲线中的最高峰值打头；
(5.3)扫描峰值与谷值序列以确定雨流循环；
(5.4)设定范围阈值、应力最小值、最大值及所需分段数目；
(5.4)当范围超过用户指定的最小范围时，记录一个雨流循环，记录每个雨流循环的均值和范围；
(5.5)根据循环的均值和范围将计算分为多个小段后进行雨流循环的计算。
作为优选，所述的步骤6疲劳分析具体包括：根据叶片材料选取S-N曲线的斜率m与频率f，计算出的等效疲劳作为恒频正弦载荷的振幅，等效疲劳载荷由下式给出：
式中ni是在应力范围Si循环的次数，T为原始时间关系曲线上的持续时间。
本发明的有益效果是：将输出载荷时序转换为以θ，Mxy为表征量的极坐标系，以θ为判断量统计记录叶片12个方向(每隔15°)的极限载荷与特征载荷；将输出载荷时序投影至各角度上，通道合并得到叶片各角度Mxy时序，通过雨流计数法得到叶片12个方向的Markov矩阵，进一步计算得到等效疲劳载荷；统计所有工况叶片每一截面上述极限与疲劳载荷，通过叶片载荷导出模块，能简易快速的将处理完的载荷导出至excel文件，便与叶片详细强度校核，能快速简易的输出叶片各截面不同方向的极限与疲劳载荷，为实现叶片整体详细强度校核提供支持。
附图说明
图1是本发明的一种流程图。
图2是本发明的一种多方向载荷提取理论示意图。
图3是本发明的一种输出各截面不同方向的疲劳Markov矩阵Excel示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。实施例：本实施例的一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)获取风力发电机组载荷仿真得到的叶片截面原始Mx与My载荷时序作为输入量。
载荷提取输出量如下：
极限载荷Mxy：提取各截面24个方向(每隔15°)各方向的极限载荷，24方向载荷为每隔15°的载荷包络，例如：0°方向载荷为-7.5°～7.5°区间的载荷包络。
特征载荷Mxy：提取各截面24个方向(每隔15°)各方向的特征载荷。
等效疲劳载荷：提取各截面12个方向(每隔15°)的等效疲劳载荷。
疲劳Markov矩阵：提取各截面12个方向(每隔15°)的Markov矩阵，叶片截面数量视模型而定。
(2)建立极坐标系，具体包括：
(2.1)以叶片Mx为x轴，My为y轴建立载荷时序建立笛卡尔坐标系；
(2.2)将载荷笛卡尔坐标系转化为极坐标系θ-My；
(2.3)以θ，Mxy作为载荷表征量，以θ为判断量将叶片载荷Mxy时序划分至不同方向区间，将叶片载荷Mxy时序划分为24方向，所述24方向载荷为每隔15°的载荷包络，例如：0°方向载荷为-7.5°～7.5°区间的载荷包络。根据该理论制定软件计算程序模板，选取载荷计算的所有工况进行统计，参见图2。其中，
以θ作为判断依据来划分Mxy时序所属方向区间。
(3)获取特征载荷Mxy，统计不同角度区间叶片载荷Mxy的最大值作为该角度区间的极限载荷Mxy，根据IEC标准设置载荷工况安全系数，加上安全系数作为特征载荷Mxy。
(4)将原始Mx与My载荷时序投影至24个方向上，通道合并得到叶片24个方向Mxy载荷时序。将叶片Mx与My载荷投影到各方向，得到各方向Mxy载荷时序，所述投影如下：
Bladed 1 polar Mxy at 0deg＝Mx*cos(0)+My*sin(0)
Bladed 1 polar Mxy at 15deg＝Mx*cos(15)+My*sin(15)
Bladed 1 polar Mxy at 30deg＝Mx*cos(30)+My*sin(30)
......
Bladed 1 polarMxyat 345deg＝Mx*cos(345)+My*sin(345)。
(5)对每个方向载荷时序进行雨流循环统计，获取得到该截面12个方向的疲劳Markov矩阵。雨流循环计算过程包括以下步骤：
(5.1)搜寻应力关系曲线以通过转折点的识别来确定相继的峰值与谷值；
(5.2)重新排序相继的峰值与谷值，使该序列由应力关系曲线中的最高峰值打头；
(5.3)扫描峰值与谷值序列以确定雨流循环；
(5.4)设定范围阈值、应力最小值、最大值及所需分段数目；
(5.4)当范围超过用户指定的最小范围时，记录一个雨流循环，记录每个雨流循环的均值和范围；
(5.5)根据循环的均值和范围将计算分为多个小段后进行雨流循环的计算。
(6)通过疲劳分析得到等效疲劳载荷。疲劳分析具体包括：根据叶片材料选取S-N曲线的斜率m与频率f，计算出的等效疲劳作为恒频正弦载荷的振幅，等效疲劳载荷由下式给出：
式中ni是在应力范围Si循环的次数，T为原始时间关系曲线上的持续时间。
导出叶片载荷的极限载荷Mxy、特征载荷Mxy、等效疲劳载荷与疲劳Markov矩阵，进一步能够直接将处理完的载荷导出至Excel文件，便于后续叶片的强度详细校核设计，输出结果形式参见图3。
本技术方案能够提取三种不同叶片坐标系载荷，满足不同厂家叶片设计不同坐标系需求；所述叶片截面为叶片的设计时划分截面，截面数量由叶片设计决定；所述叶片多方向载荷包括叶片24个方向的极限载荷以及12个方向的疲劳载荷，疲劳载荷包括0°，15°，30°……165°方向的载荷，由于疲劳载荷的对称性，提取每个方向取±15°的包络，如提取0°方向载荷，即为-15°～15°区间的疲劳Markov矩阵。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了极限载荷、等效疲劳载荷等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (10)
1.一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取用于叶片载荷提取的输入量；
(2)建立极坐标系；
(3)获取特征载荷Mxy；
(4)将输入的叶片载荷时序投影得到叶片不同方向Mxy载荷时序；
(5)获取每个方向的疲劳Markov矩阵；
(6)通过疲劳分析得到等效疲劳载荷。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，其特征在于，所述步骤1中输入量为风力发电机组载荷仿真的叶片截面原始Mx与My载荷时序。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
(2.1)以叶片Mx为x轴，My为y轴建立载荷时序建立笛卡尔坐标系；
(2.2)将载荷笛卡尔坐标系转化为极坐标系θ-My；
(2.3)以θ，Mxy作为载荷表征量，以θ为判断量将叶片载荷Mxy时序划分至不同方向区间。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，其特征在于，所述步骤2.3将叶片载荷Mxy时序划分为24方向，所述24方向载荷为每隔15°的载荷包络，其中，
以θ作为判断依据来划分Mxy时序所属方向区间。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，其特征在于，所述步骤3统计不同角度区间叶片载荷Mxy的最大值作为该角度区间的极限载荷Mxy，根据IEC标准设置载荷工况安全系数，加上安全系数作为特征载荷Mxy。
6.根据权利要求2所述的一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，其特征在于，所述步骤4将原始Mx与My载荷时序投影至24个方向上，通道合并得到叶片24个方向Mxy载荷时序。
7.根据权利要求6所述的一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，其特征在于，所述步骤4将叶片Mx与My载荷投影到各方向，得到各方向Mxy载荷时序，所述投影如下：
Bladed 1 polar Mxy at 0deg＝Mx*cos(0)+My*sin(0)
Bladed 1 polar Mxy at 15deg＝Mx*cos(15)+My*sin(15)
Bladed 1 polar Mxy at 30deg＝Mx*cos(30)+My*sin(30)
......
Bladed 1 polar Mxy at 345deg＝Mx*cos(345)+My*sin(345)。
8.根据权利要求1所述的一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，其特征在于，所述步骤5对每个方向载荷时序进行雨流循环统计，获取得到该截面12个方向的疲劳Markov矩阵。
9.根据权利要求8所述的一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，其特征在于，所述雨流循环计算过程包括以下步骤：
(5.1)搜寻应力关系曲线以通过转折点的识别来确定相继的峰值与谷值；
(5.2)重新排序相继的峰值与谷值，使该序列由应力关系曲线中的最高峰值打头；
(5.3)扫描峰值与谷值序列以确定雨流循环；
(5.4)设定范围阈值、应力最小值、最大值及所需分段数目；
(5.4)当范围超过用户指定的最小范围时，记录一个雨流循环，记录每个雨流循环的均值和范围；
(5.5)根据循环的均值和范围将计算分为多个小段后进行雨流循环的计算。
10.根据权利要求1所述的一种风力发电机组叶片各截面多方向载荷提取方法，其特征在于，所述步骤6疲劳分析具体包括：根据叶片材料选取S-N曲线的斜率m与频率f，计算出的等效疲劳作为恒频正弦载荷的振幅，等效疲劳载荷由下式给出：
式中ni是在应力范围Si循环的次数，T为原始时间关系曲线上的持续时间。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Country or region after: China Address after: No.558 Shunfeng Road, Yuhang Economic and Technological Development Zone (Qianjiang Economic Development Zone), Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province Applicant after: Yunda Energy Technology Group Co.,Ltd. Address before: No.558 Shunfeng Road, Yuhang Economic and Technological Development Zone (Qianjiang Economic Development Zone), Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province Applicant before: ZHEJIANG WINDEY Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| GR01 | Patent grant | ||
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