CN113011109B - 考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法，该方法构建了随机雨场模型，并基于裂纹扩展理论对于风力发电机叶片涂层的疲劳寿命进行计算。本发明创新性地提出了一种考虑雨滴形状、大小、撞击角度、撞击速度的随机雨场模型来模拟雨滴撞击过程，采用光滑粒子流体力学方法与有限元计算方法分析部分雨滴对叶片涂层的撞击应力，运用应力插值方法来计算随机降雨过程中所有雨滴的撞击应力，结合撞击应力对叶片涂层进行疲劳分析，运用应力寿命法计算疲劳裂纹萌生阶段寿命，运用裂纹扩展理论计算疲劳裂纹扩展阶段寿命，通过结合降雨数据的统计，该计算方法可用于计算风力发电机叶片涂层在雨滴侵蚀下的预期疲劳寿命。

Description

考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法
技术领域
本发明涉及风力发电机叶片设计领域，尤其涉及一种考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片 涂层疲劳分析方法。
背景技术
目前，风力发电机叶片在使用期间经常受到雨滴、大气颗粒物、冰雹等高相对速度物 体的影响，尤其是在叶尖部分。这些撞击可能导致叶片前缘的损伤与剥落，从而降低风力 发电机的气动性能和功率输出。随着风力发电机在叶尖速度和转子直径上的持续增长，在 设计阶段对于风力发电机叶片涂层在雨滴侵蚀下疲劳寿命预测问题变得更加重要。
在该方面目前缺乏有效的解决方案，本发明结合随机雨场模型、光滑流体动力学、疲 劳裂纹扩展理论进行风力发电机叶片涂层疲劳寿命预测计算。现有的冲击法与能量法计算 雨滴对于叶片涂层的撞击应力存在一定的缺陷，其中冲击法很难考虑雨滴撞击过程中的流 固相互作用，而能量法很难量化从随机雨场到风机叶片涂层的总转移能量。目前对于雨滴 侵蚀下风力发电机叶片涂层的疲劳寿命计算通常是应用应力－寿命曲线和疲劳损伤线性累 积假完成计算，但该方法计算得到的寿命只是局限于疲劳裂纹的萌生期，通常材料发生疲 劳破坏，要经历裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展三个阶段，传统疲劳分析计算方 法无法完整的计算风机叶片涂层疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片 涂层疲劳分析方法。该方法结合随机雨场模型、光滑流体动力学、疲劳裂纹扩展理论进行 风力发电机叶片涂层疲劳寿命预测计算，通过对于自然降雨状况的有效建模、雨滴撞击叶 片应力的准确分析以及叶片涂层疲劳寿命的全面计算，准确有效地计算了雨滴侵蚀状况下 风力发电机叶片涂层的疲劳寿命。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法，其特征在于，运用随机雨场 模型对自然降雨状况进行有效建模，运用光滑流体动力学与应力插值对雨滴撞击叶片应力 进行准确分析，运用疲劳裂纹扩展理论对叶片涂层疲劳寿命进行全面计算，具体包括如下 步骤：
S1：根据不同的降雨强度I与降雨时长ts建立若干个随机雨场模型；
S2：运用有限元仿真计算分析不同雨滴撞击叶片产生的应力；
S3：计算随机雨场下涂层所受的撞击应力；
S4：计算不同降雨强度I下叶片涂层疲劳寿命tI；
S5：统计全年降雨时长tA与各个降雨强度出现的概率PI：
S6：重复步骤S3、S4获得多个不同降雨强度I下叶片涂层疲劳寿命，根据S4、S5的计算结果，运用下述公式计算风力发电机叶片涂层疲劳寿命tf
Figure BDA0002900840910000021
Figure BDA0002900840910000022
进一步地，所述的S1具体为：首先随机雨场中的雨滴个数k，然后确定每个雨滴的参 数，包括每个雨滴的直径、雨滴的形状、雨滴撞击角度θ和雨滴撞击位置，根据k个雨滴的相关属性，构建随机雨场模型；
其中，
(1)所述的雨滴个数k通过下式计算得到：
Figure BDA0002900840910000023
λ＝48.88I0.15
其中，λ为单位体积内预计的雨滴个数，P(N(V)＝k)是在V体积内存有雨滴个数k的概率，I是降雨强度，单位为mm h-1；雨滴被认为是均匀分布在一个体积V的空间内；
降雨空间体积V的计算公式为：
V＝S×v×ts
其中，S为降雨投影区域，即叶片涂层区域；v为雨滴撞击的相对速度，即叶片线速度 与雨滴速度相加；ts为降雨时长；
(2)所述的每个雨滴的直径通过下式计算得到：
Figure BDA0002900840910000024
其中，F为雨滴尺寸d的累计分布函数，d为雨滴尺寸，单位为mm，I是降雨强度， 单位为mm h-1；
(3)所述的雨滴的形状的确定为根据雨滴类别的发生概率确定雨滴的类别，并根据具 体的类别进行几何建模；
所述雨滴形状分为扁平椭圆形、纺锤椭圆形、正球形，三种类别发生概率分别为27％、 55％和18％；扁平椭球形雨滴在水平面上具有最长轴，而纺锤椭球形雨滴在垂直于水平面 上具有最长轴，扁平椭圆形和纺锤椭圆形雨滴的水平截面积为圆形，垂直截面积为椭圆形， 因此，对于正球形雨滴，直接根据雨滴半径进行建模；对于扁平椭圆形、纺锤椭圆形，通 过轴比公式完成雨滴的几何建模；
α＝1.030-0.124r0
其中，α为短轴与长轴的轴比，r0为等效球形雨滴半径，即r0＝d/2；
(4)雨滴撞击角度θ遵循[0,90°]的均匀分布；
(5)雨滴撞击位置为叶片涂层区域中的任意位置，均匀分布。
进一步地，所述S2具体包括如下子步骤：
S2.1：构建叶片模型，进行网格划分，设置相关复合材料属性，设置约束条件：
S2.2：根据不同的雨滴尺寸、形状构建不同的单个雨滴，进行网格划分，设置雨滴的撞 击速度与撞击角度，运用有限元仿真软件(例如Abaqu)，结合光滑流体动力学方法进行仿 真分析，计算单个雨滴的撞击应力；
S2.3：获取有限元仿真分析中叶片涂层各处的Von Mises应力作为撞击应力；作为其中 实施方式，可以运用Matlab获取；
S2.4：重复步骤S2.2～S2.3，仿真计算多种状况下的雨滴撞击应力，所述的多种状况包 括不同雨滴直径、不同雨滴形状、不同撞击角度和不同撞击速度的组合。例如9种雨滴直 径(d＝1,2,3,4,5,6,7,8,9mm)，3种雨滴形状(扁平椭圆形,纺锤椭圆形,正秋形)，6 种撞击角度(θ＝15°,30°,45°,60°,75°,90°)和1种撞击速度(90ms-1)；
进一步地，所述S3具体包括如下子步骤：
S3.1：根据S1构建的雨场模型，确定了单个随机雨滴的大小、形状、撞击角度和速度 后，以撞击点为中心，以N倍雨滴直径的圆形区域被认为是受雨滴撞击影响的区域，N为9～11：
S3.2：根据S2中计算得到的一系列状况下的雨滴撞击应力，选择同一类型的雨滴形状， 搜索S2计算得到的具有最近雨滴直径、撞击角度和撞击速度的撞击状况的应力结果，对 该圆形区域内的应力进行插值计算；
S3.3：针对每一个雨滴，重复步骤S3.1～S3.2，直到k个雨滴的对叶片造成的撞击应力 全部计算完成。
进一步地，所述S4具体包括如下子步骤：
S4.1：选择降雨强度I与单次仿真的降雨时长ts(例如10分钟)，根据步骤S1～S3计算 得到随机雨场下涂层所受的撞击应力：
S4.2：选择局部最大应力和相邻的最小应力，或者选择局部最小应力和相邻的最大应力， 组成一个半周期应力循环，将撞击应力曲线分解为多个具有恒定振幅的半周期循环应力；
S4.3：针对S4.2中每个半周期循环应力，运用下述公式计算得到许用应力循环次数Nf
Figure BDA0002900840910000041
Figure BDA0002900840910000042
其中，σ′a为修正应力幅，σa为应力幅，σm为平均应力，UTS为极限抗拉强度，σf为 疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，其中UTS、σf、b均为涂层材料固有属性，通过实验 获得，σa、σm可以根据半周期循环应力的最大应力与最小应力计算获得；
S4.4：重复步骤S4.3，直到所有半周期循环应力的许用应力循环次数Nf计算完毕，按 照Miner损伤累积准则，一个雨滴撞击叶片产生的所有半周期循环应力造成的疲劳损伤为
Figure BDA0002900840910000043
S4.5：重复步骤S4.2～S4.4，直到降雨时长ts中k个雨滴对叶片造成的撞击应力所造成 的疲劳损伤Ds计算完毕，通过下述公式计算裂纹萌生期的疲劳寿命t萌生期：
Figure BDA0002900840910000044
S4.6：针对S4.2中每个半周期循环应力，运用下述公式迭代计算裂纹长度：
Figure BDA0002900840910000045
其中ai+1为半周期循环应力后的裂纹长度，ai为半周期循环应力前的裂纹长度；C、m 为材料固有属性，通过材料疲劳实验获得；Y的数值由裂纹形状所确定，σmax为半周期循环应力的最大应力，σmin为半周期循环应力的最小应力；
S4.7：重复步骤S4.2与S4.6，直到降雨时长ts中k个雨滴的对叶片造成的撞击应力造 成的裂纹长度a计算完毕；
S4.8：若降雨强度I大于等于10mm h-1进入步骤S4.9，若降雨强度I小于10mm h-1进入步骤S4.10；
S4.9：重复步骤S4.1、S4.2、S4.6、S4.7，降雨时长不断叠加增长，同时裂纹长度不断 增长，直到裂纹长度满足下述公式或是裂纹长度大于涂层厚度时认为裂纹稳定扩展期完成：
Figure BDA0002900840910000051
其中anow为当前裂纹长度，KC为断裂韧性为材料固有属性，可以通过实验测得，裂纹 长度满足上述条件时的降雨时长即为裂纹稳定扩展期疲劳寿命；
S4.10：当降雨强度I较低时，运用S4.9的方法需要大量的迭代计算，所需的计算时间 较久，故提出S4.10的方法，运用下述公式计算降雨时长ts内的等效应力变程Δσ,运用等效 应力变程Δσ的恒幅循环应力来代替降雨时长ts内所有的变幅循环应力
Figure BDA0002900840910000052
其中a0为裂纹初始长度，a为经过降雨时长ts后的裂纹长度，Nt为降雨时长ts中全部 的应力循环次数；
运用下述公式计算裂纹稳定扩展期的许用应力循环次数Nc
Figure BDA0002900840910000053
Figure BDA0002900840910000054
其中σMAX为降雨时长ts中出现的最大应力；
运用下述公式计算得到裂纹稳定扩展期的疲劳寿命
Figure BDA0002900840910000061
S4.11：裂纹失稳扩展时快速扩展，对寿命影响很小，所以裂纹失稳扩展期近似为0， 通过下述公式计算得到降雨强度I下涂层某一点处疲劳寿命
tIP＝t萌生期+t扩展期
S4.12：重复步骤S4.1～S4.12计算涂层每一点处疲劳寿命，将所有点的疲劳寿命从小到 大排序，第84％个点的疲劳寿命作为涂层整体的疲劳寿命tI；
进一步地，所述S5具体包括如下子步骤：
S5.1：根据相关统计数据获取风力发电机所在地每年的降雨数据；
S5.2：统计处理降雨数据，获得该地区一年的降雨时长tA与各个降雨强度出现的概率PI (即概率密度函数PDF或概率质量函数PMF)；
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提出的随机雨场模型考虑了雨滴形状(球形、扁平形和纺锤形)、真实的雨滴尺寸大小，该随机雨场模型很好的体现了真实的雨场情况；
(2)本发明利用光滑粒子流体力学(SPH)和应力插值方法，计算了随机降雨过程中雨滴撞击应力，该方法可以有效准确的计算雨滴对涂层的撞击应力，同时保证计算时间不会过长；
(3)本发明根据疲劳裂纹扩展理论完整的计算了涂层的裂纹萌生期疲劳寿命与裂纹稳 定扩展期疲劳寿命，使得计算得到的疲劳寿命更加准确。
附图说明
图1为本发明的方法的流程图；
图2为本发明的方法的示意图；
图3是雨滴形状和撞击角度的示意图；
图4是四种降雨强度下的随机雨场模拟图,(a)1mm h-1,(b)10mm h-1,(c)20mm h-1,and (d)50mm h-1；
图5是叶尖部分嵌板的模型图；
图6是单个雨滴撞击叶片在8个时隔的应力云图(0μs,10μs,20μs,30μs,40μs,50μs)；
图7是直径为2.5mm撞击角度为80°的雨滴撞击应力的插值计算结果图，其中(a)是应 力插值计算结果与四种最接近撞击状况下的雨滴撞击应力的比较图，(b)是应力插值计算 结果与有限元仿真计算结果对比图；
图8是佛罗里达州迈阿密地区降雨强度的概率质量函数图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白， 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法，运用随机雨场模型对自 然降雨状况进行有效建模，运用光滑流体动力学与应力插值对雨滴撞击叶片应力进行准确 分析，运用疲劳裂纹扩展理论对叶片涂层疲劳寿命进行全面计算，针对位于佛罗里达州迈 阿密地区的风力发电机叶片涂层的疲劳寿命进行预测计算，具体流程图如图1所示，示意 图如图2所示，具体包括如下步骤：
S1：根据不同的降雨强度I与降雨时长ts建立若干个随机雨场模型；
S1.1：通过下式计算随机雨场中的雨滴个数k：
Figure BDA0002900840910000071
λ＝48.88I0.15
其中，λ为单位体积内预计的雨滴个数，P(N(V)＝k)是在V体积内存有雨滴个数k的概率，I是降雨强度(mm h-1)；雨滴被认为是均匀分布在一个体积V的空间内；
降雨空间体积V的计算公式为：
V＝S×v×ts
其中，S为降雨投影区域(即叶片涂层区域)，v为雨滴撞击的相对速度(叶片线速度与雨滴速度相加)，ts为降雨时长，在Matlab中生成符合上述概率分布的随机数获得雨滴个数k；
S1.2：通过下式计算随机雨场中的每个雨滴的尺寸：
Figure BDA0002900840910000072
其中,F为雨滴尺寸d的累计分布函数，d为雨滴尺寸(mm)，I是降雨强度(mm h-1)；雨滴被认为是均匀分布在一个体积V的空间内，在Matlab中生成符合上述概率分布的随机数获得雨滴尺寸d；
S1.3：雨滴形状分为正球形、扁平椭圆形、纺锤椭圆形，对于椭圆形雨滴存在长轴与短 轴，短轴与长轴的轴比为α，其计算公式为
α＝1.030-0.124r0
其中,r0为等效球形雨滴半径即r0＝d/2；
扁平椭球形雨滴在水平面上具有最长轴，而纺锤椭球形雨滴在垂直于水平面上具有最 长轴，扁平椭圆形和纺锤椭圆形雨滴的水平截面积为圆形，垂直截面积为椭圆形，故可以 通过轴比公式完成雨滴的几何建模，根据相关资料确定，扁平椭圆形、纺锤椭圆形、正球 形三种雨滴形状的发生概率分别为27％、55％和18％，如图3所示。
S1.4：雨滴撞击角度θ遵循[0,90°]的均匀分布，雨滴撞击位置为叶片涂层区域中的任意 位置，为均匀分布，如图3所示；
S1.5：针对每一个雨滴，重复步骤S1.2～S1.4，确定每个雨滴的相关属性，直到k个雨 滴的相关属性都确定完成，如图4所示。
S2：运用有限元仿真计算分析不同雨滴撞击叶片产生的应力；
S2.1：构建叶片模型，进行网格划分，为了控制计算量，只对叶尖的部分嵌板构建有限 元模型，如图5所示，设置相关复合材料属性，如下表1所示，涂层选用环氧树脂材料，将嵌板底部与侧面设为完全约束：
表1叶片复合材料属性表
Figure BDA0002900840910000081
S2.2：根据不同的雨滴尺寸、形状构建不同的单个雨滴，进行网格划分，设置雨滴的撞 击速度与撞击角度，运用Abaqu有限元仿真软件中的光滑流体动力学(SPH)方法进行仿 真分析，计算单个雨滴的撞击应力，如图6所示；
S2.3：运用Matlab获取Abaqu有限元仿真分析中叶片涂层各处的Von Mises应力作为 撞击应力；
S2.4：重复步骤S2.2～S2.3,仿真计算162种状况下的雨滴撞击应力，即9种雨滴直径(d ＝1,2,3,4,5,6,7,8,9mm)，3种雨滴形状(扁平椭圆形,纺锤椭圆形,正秋形)，6种撞击角度(θ＝15°,30°,45°,60°,75°,90°)和1种撞击速度(90ms-1)；
S3：计算随机雨场下涂层所受的撞击应力；
S3.1：根据S1构建的雨场模型，确定了单个随机雨滴的大小、形状、撞击角度和速度 后，以撞击点为中心，以10倍雨滴直径的圆形区域被认为是受雨滴撞击影响的区域：
S3.2：根据S2中计算得到的一系列状况下的雨滴撞击应力，选择同一类型的雨滴形状， 搜索S2计算得到的具有最近雨滴直径、撞击角度和撞击速度的撞击状况的应力结果，对该 圆形区域内的应力进行插值计算，如图7所示；
S3.3：针对每一个雨滴，重复步骤S3.1～S3.2，直到k个雨滴的对叶片造成的撞击应力 全部计算完成；
S4：计算不同降雨强度I下叶片涂层疲劳寿命；
S4.1：选择降雨强度I与单次仿真的降雨时长ts(例如10分钟)，根据步骤S1～S3计算 得到随机雨场下涂层所受的撞击应力：
S4.2：随机雨场下涂层所受的撞击应力具有不同的应力幅值。为了进行逐周疲劳分析， 采用一种简单的范围计数法来计算所有半周期应力，即选择局部最大(最小)应力和相邻 的最小(最大)应力组成一个半周期应力循环。通过这种方式，将复杂的应力曲线分解为 多个具有恒定振幅的半周期循环应力
S4.3：针对S4.2中每个半周期循环应力，运用下述公式计算得到许用应力循环次数Nf
Figure BDA0002900840910000091
Figure BDA0002900840910000092
其中σ′a为修正应力幅，σa为应力幅，σm为平均应力，UTS为极限抗拉强度，σf为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，其中UTS＝73.3MPa、σf＝83.3MPa、b＝-0.117，σa、σm可 以根据半周期循环应力的最大应力与最小应力计算获得；
S4.4：重复步骤S4.3，直到所有半周期循环应力的许用应力循环次数Nf计算完毕，按 照Miner损伤累积准则，一个雨滴撞击叶片产生的所有半周期循环应力造成的疲劳损伤为
Figure BDA0002900840910000093
S4.5：重复步骤S4.2～S4.4，直到降雨时长ts中k个雨滴的对叶片造成的撞击应力所造 成的疲劳损伤Ds计算完毕，通过下述公式计算裂纹萌生期的疲劳寿命t萌生期：
Figure BDA0002900840910000094
S4.6：针对S4.2中每个半周期循环应力，运用下述公式迭代计算裂纹长度：
Figure BDA0002900840910000101
其中ai+1为半周期循环应力后的裂纹长度，ai为半周期循环应力前的裂纹长度，C＝9.7、 m＝0.08，Y的数值由裂纹形状所确定，该实施例中Y＝1。σmax为半周期循环应力的最大应 力，σmin为半周期循环应力的最小应力；
S4.7：重复步骤S4.2与S4.6，直到降雨时长ts中k个雨滴的对叶片造成的撞击应力造 成的裂纹长度a计算完毕；
S4.8：若降雨强度I大于等于10mm h-1进入步骤S4.9，若降雨强度I小于10mm h-1进入步骤S4.10；
S4.9：重复步骤S4.1、S4.2、S4.6、S4.7，降雨时长不断叠加增长，同时裂纹长度不断 增长，直到裂纹长度满足下述公式或是裂纹长度大于涂层厚度时认为裂纹稳定扩展期完成：
Figure BDA0002900840910000102
其中anow为当前裂纹长度，KC是断裂韧性，为材料固有属性。该实施例中KC＝0.59MPa m1/2，裂纹长度满足上述条件时的降雨时长即为裂纹稳定扩展期疲劳寿命；
S4.10：当降雨强度I较低时，运用S4.9的方法需要大量的迭代计算，所需的计算时间 较久，故提出S4.10的方法，运用下述公式计算降雨时长ts内的等效应力变程Δσ,运用等效 应力变程Δσ的恒幅循环应力来代替降雨时长ts内所有的变幅循环应力
Figure BDA0002900840910000103
其中a0为裂纹初始长度，a0＝12μm，a为经过降雨时长ts后的裂纹长度，Nt为降雨时长ts中全部的应力循环次数；
运用下述公式计算裂纹稳定扩展期的许用应力循环次数Nc,
Figure BDA0002900840910000104
Figure BDA0002900840910000105
其中σMAX为降雨时长ts中出现的最大应力
运用下述公式计算得到裂纹稳定扩展期的疲劳寿命
Figure BDA0002900840910000111
S4.11：裂纹失稳扩展时快速扩展，对寿命影响很小，所以裂纹失稳扩展期近似为0， 通过下述公式计算得到降雨强度I下涂层某一点处疲劳寿命
tIP＝t萌生期+t扩展期
S4.12：重复步骤S4.1～S4.12计算涂层每一点处疲劳寿命，将所有点的疲劳寿命从小到 大排序，第84％个点的疲劳寿命作为涂层整体的疲劳寿命tI；
S5：统计全年降雨时长tA与各个降雨强度出现的概率PI：
S5.1：根据相关统计数据获取风力发电机所在地每年的降雨数据；
S5.2：统计处理降雨数据，获得该地区一年的降雨时长tA与各个降雨强度出现的概率PI (即概率密度函数PDF或概率质量函数PMF,如图8所示)；
S6：重复步骤S3、S4获得多个不同降雨强度下叶片涂层疲劳寿命，
表2各个降雨强度下风机叶片涂层疲劳寿命
降雨强度(mm h<sup>-1</sup>) 疲劳寿命(h) 降雨强度(mm h<sup>-1</sup>) 疲劳寿命(h)
20 4.2 10 192.7
19 6.9 9 470.4
18 8.3 8 1254.5
17 14 7 1989.2
16 15.5 6 4155.7
15 31.3 5 14463
14 45.4 4 53673.3
13 46.4 3 200250
12 79 2 1590481.9
11 142.5 1 44960142.3
根据S5的统计结果，结合表2中各个降雨强度下风机叶片涂层疲劳寿命，运用下述公 式计算风力发电机叶片涂层疲劳寿命tf
Figure BDA0002900840910000112
Figure BDA0002900840910000113
计算得到位于佛罗里达州迈阿密风力发电机疲劳寿命为1.3年。
为了验证所提出的分析方法的准确性，依据上述计算流程，根据国外学者Bech等人相 关的实验研究中的降雨数据，重新计算叶片涂层的总疲劳寿命，并与国外学者Bech等人相 关的实验研究中的疲劳寿命计算结果进行比较，如表3所示，其中每年风机寿命损耗比例 为各个降雨强度年降雨时间除以疲劳寿命。在使用相同的降雨数据的情况下，使用本发明 方法计算得到的预期疲劳寿命为2.1年，比Bech获得的结果稍长。这主要是因为本发明提 出的计算流程涉及到了更复杂和现实的计算方法，例如，随机雨场模拟中考虑了各种撞击 角度和雨滴形状。
表3本发明计算方法与相关实验研究计算结果对比
Figure BDA0002900840910000121
该实例有效的表明通过本发明的预测计算方法，在结合某一地区历史降雨数据的情况 下，可以有效的预测计算该地区风力发电机叶片涂层的疲劳寿命。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发 明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可 以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在 发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：根据不同的降雨强度I与降雨时长ts建立若干个随机雨场模型；
S2：运用有限元仿真计算分析不同雨滴撞击叶片产生的应力；
S3：计算随机雨场下涂层所受的撞击应力；
S4：计算不同降雨强度I下叶片涂层疲劳寿命tI；
S5：统计全年降雨时长tA与各个降雨强度出现的概率PI：
S6：重复步骤S3、S4获得多个不同降雨强度I下叶片涂层疲劳寿命，根据S4、S5的计算结果，运用下述公式计算风力发电机叶片涂层疲劳寿命tf
Figure FDA0002900840900000011
Figure FDA0002900840900000012
2.根据权利要求1所述的考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法，其特征在于，所述的S1具体为：首先确定随机雨场中的雨滴个数k，然后确定每个雨滴的参数，包括每个雨滴的直径、雨滴的形状、雨滴撞击角度θ和雨滴撞击位置，根据k个雨滴的相关属性，构建随机雨场模型；
(1)所述的雨滴个数k通过下式计算得到：
Figure FDA0002900840900000013
λ＝48.88I0.15
其中，λ为单位体积内预计的雨滴个数，P(N(V)＝k)是在V体积内存有雨滴个数k的概率，I是降雨强度，单位为mm h-1；雨滴被认为是均匀分布在一个体积V的空间内，
降雨空间体积V的计算公式为：
V＝S×v×ts
其中，S为降雨投影区域，即叶片涂层区域；v为雨滴撞击的相对速度，即叶片线速度与雨滴速度相加；ts为降雨时长；
(2)所述的每个雨滴的直径通过下式计算得到：
Figure FDA0002900840900000021
其中，F为雨滴尺寸d的累计分布函数，d为雨滴尺寸，单位为mm，I是降雨强度，单位为mmh-1；
(3)所述的雨滴的形状的确定为根据雨滴类别的发生概率确定雨滴的类别，并根据具体的类别进行几何建模；
所述雨滴形状分为扁平椭圆形、纺锤椭圆形、正球形，三种类别发生概率分别为27％、55％和18％；对于正球形雨滴，直接根据雨滴半径进行建模；对于扁平椭圆形、纺锤椭圆形，通过轴比公式完成雨滴的几何建模；
a＝1.030-0.124r0
其中，α为短轴与长轴的轴比，r0为等效球形雨滴半径，即r0＝d/2；
(4)雨滴撞击角度θ遵循[0,90°]的均匀分布；
(5)雨滴撞击位置为叶片涂层区域中的任意位置，均匀分布。
3.根据权利要求1所述的考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法，其特征在于，所述S2具体包括如下子步骤：
S2.1：构建叶片模型，进行网格划分，设置相关复合材料属性，设置约束条件：
S2.2：根据不同的雨滴尺寸、形状构建不同的单个雨滴，进行网格划分，设置雨滴的撞击速度与撞击角度，运用有限元仿真软件，结合光滑流体动力学方法进行仿真分析，计算单个雨滴的撞击应力；
S2.3：获取有限元仿真分析中叶片涂层各处的Von Mises应力作为撞击应力；
S2.4：重复步骤S2.2～S2.3，仿真计算多种状况下的雨滴撞击应力，所述的多种状况包括不同雨滴直径、不同雨滴形状、不同撞击角度和不同撞击速度的组合。
4.根据权利要求1所述的考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法，其特征在于，所述S3具体包括如下子步骤：
S3.1：根据S1构建的雨场模型，确定了单个随机雨滴的大小、形状、撞击角度和速度后，以撞击点为中心，以N倍雨滴直径的圆形区域被认为是受雨滴撞击影响的区域，N为9～11：
S3.2：根据S2中计算得到的一系列状况下的雨滴撞击应力，选择同一类型的雨滴形状，搜索S2计算得到的具有最近雨滴直径、撞击角度和撞击速度的撞击状况的应力结果，对该圆形区域内的应力进行插值计算；
S3.3：针对每一个雨滴，重复步骤S3.1～S3.2，直到k个雨滴的对叶片造成的撞击应力全部计算完成。
5.根据权利要求1所述的考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法，其特征在于，所述S4具体包括如下子步骤：
S4.1：选择降雨强度I与单次仿真的降雨时长ts，根据步骤S1～S3计算得到随机雨场下涂层所受的撞击应力：
S4.2：选择局部最大应力和相邻的最小应力，或者选择局部最小应力和相邻的最大应力，组成一个半周期应力循环，将撞击应力曲线分解为多个具有恒定振幅的半周期循环应力；
S4.3：针对S4.2中每个半周期循环应力，运用下述公式计算得到许用应力循环次数Nf
Figure FDA0002900840900000031
Figure FDA0002900840900000032
其中，σ′a为修正应力幅，σa为应力幅，σm为平均应力，UTS为极限抗拉强度，σf为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，其中UTS、σf、b均为涂层材料固有属性，通过实验获得，σa、σm可以根据半周期循环应力的最大应力与最小应力计算获得；
S4.4：重复步骤S4.3，直到所有半周期循环应力的许用应力循环次数Nf计算完毕，按照Miner损伤累积准则，一个雨滴撞击叶片产生的所有半周期循环应力造成的疲劳损伤为
Figure FDA0002900840900000033
S4.5：重复步骤S4.2～S4.4，直到降雨时长ts中k个雨滴对叶片造成的撞击应力所造成的疲劳损伤Ds计算完毕，通过下述公式计算裂纹萌生期的疲劳寿命t萌生期：
Figure FDA0002900840900000034
S4.6：针对S4.2中每个半周期循环应力，运用下述公式迭代计算裂纹长度：
Figure FDA0002900840900000035
其中ai+1为半周期循环应力后的裂纹长度，ai为半周期循环应力前的裂纹长度；C、m为材料固有属性，通过材料疲劳实验获得；Y的数值由裂纹形状所确定，σmax为半周期循环应力的最大应力，σmin为半周期循环应力的最小应力；
S4.7：重复步骤S4.2与S4.6，直到降雨时长ts中k个雨滴的对叶片造成的撞击应力造成的裂纹长度a计算完毕；
S4.8：若降雨强度I大于等于10mm h-1进入步骤S4.9，若降雨强度I小于10mm h-1进入步骤S4.10；
S4.9：重复步骤S4.1、S4.2、S4.6、S4.7，降雨时长不断叠加增长，同时裂纹长度不断增长，直到裂纹长度满足下述公式或是裂纹长度大于涂层厚度时认为裂纹稳定扩展期完成：
Figure FDA0002900840900000041
其中anow为当前裂纹长度，KC为断裂韧性为材料固有属性，可以通过实验测得，裂纹长度满足上述条件时的降雨时长即为裂纹稳定扩展期疲劳寿命；
S4.10：当降雨强度I较低时，运用下述公式计算降雨时长ts内的等效应力变程Δσ，运用等效应力变程Δσ的恒幅循环应力来代替降雨时长ts内所有的变幅循环应力
Figure FDA0002900840900000042
其中，a0为裂纹初始长度，a为经过降雨时长ts后的裂纹长度，Nt为降雨时长ts中全部的应力循环次数；
运用下述公式计算裂纹稳定扩展期的许用应力循环次数Nc
Figure FDA0002900840900000043
Figure FDA0002900840900000044
其中σMAX为降雨时长ts中出现的最大应力；
运用下述公式计算得到裂纹稳定扩展期的疲劳寿命
Figure FDA0002900840900000051
S4.11：通过下述公式计算得到降雨强度I下涂层某一点处疲劳寿命
tIP＝t萌生期+t扩展期
S4.12：重复步骤S4.1～S4.12计算涂层每一点处疲劳寿命，将所有点的疲劳寿命从小到大排序，第84％个点的疲劳寿命作为涂层整体的疲劳寿命tI。
6.根据权利要求1所述的考虑雨滴侵蚀的风力发电机叶片涂层疲劳分析方法，其特征在于，所述S5具体包括如下子步骤：
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