CN115392040A - 含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法 - Google Patents

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CN115392040A CN202211066824.XA CN202211066824A CN115392040A CN 115392040 A CN115392040 A CN 115392040A CN 202211066824 A CN202211066824 A CN 202211066824A CN 115392040 A CN115392040 A CN 115392040A
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Abstract

本发明公开了一种含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法，针对带有褶皱缺陷的风力机叶片，对叶片载荷的随机变化情况进行全面考虑，实现了更为接近真实情况下的风力机叶片主梁寿命预测，大大提高了疲劳寿命预测的准确度。本发明以带有褶皱缺陷的叶片材料S‑N曲线为基础，将承受应力幅值和应力均值共同作用的疲劳寿命看作二元函数，提出修正的Miner准则进行损伤累积的评估，从而建立随机载荷下实际风力机叶片疲劳寿命预测模型，实现叶片寿命预测。

Description

含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法
技术领域
本发明涉及复合材料寿命预测技术领域，更具体的说是涉及一种带有制造缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法。
背景技术
目前，对于风力机叶片主梁寿命预测方法大多针对理想叶片恒幅载荷的情况，而实际风场中风力机叶片很多带有制造缺陷，工作环境不稳定，载荷变化复杂，仅针对理想叶片恒幅载荷情况来预测风力机叶片主梁寿命具有一定片面性。
因此，如何实现真实情况下风力机叶片主梁寿命的准确预测是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法，针对带有褶皱缺陷的风力机叶片，对叶片载荷的随机变化情况进行全面考虑，实现了更为接近真实情况下的风力机叶片主梁寿命预测，大大提高了疲劳寿命预测的准确度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法，包括以下步骤：
步骤1：获取风力机运行中各风速下的相关数据，并按照风速进行数据划分；
步骤2：根据各风速下的相关数据中的最大应力和失效循环数，均采用最小二乘法拟合求解S-N曲线；
步骤3：根据最大应力值求解各风速下相应的应力幅值和应力均值；
步骤4：根据应力幅值计算联合概率密度；
步骤5：根据应力幅值和应力均值计算获得风力机叶片的随机载荷作用下循环应力与疲劳寿命的广义S-N曲线方程；
步骤6：根据广义S-N曲线方程，建立应力幅值和应力均值共同作用下的疲劳寿命二元函数，预测获得叶片疲劳寿命。
优选的，步骤2中求解S-N曲线公式为：
Smax＝AlgN+B
其中，Smax为最大应力；N为疲劳寿命；A、B分别为叶片材料参数。
优选的，应力幅值计算公式为：
Figure BDA0003828008170000021
其中，Sa为应力幅值；Smax为最大应力；R＝Smin/Smax，Smin为各风速下最小应力；
应力均值计算公式为：
Figure BDA0003828008170000022
Sm为应力均值。用应力幅值Sa和应力均值Sm及其概率分布来描述风力机叶片载荷的随机变化情况，将风力机叶片载荷情况进行全面考虑。
优选的，联合概率密度公式为：
Figure BDA0003828008170000023
其中，Sa为应力幅值；
Figure BDA0003828008170000024
为应力幅值平均值；
Figure BDA0003828008170000025
为应力幅值标准差；Sm为应力均值；
Figure BDA0003828008170000026
为应力均值平均值；
Figure BDA0003828008170000027
为应力均值标准差。
优选的，建立以应力幅值Sa和应力均值Sm为自变量的随机载荷作用下带有褶皱缺陷的叶片材料的循环应力S与疲劳寿命N的广义S-N曲线方程，广义S-N曲线方程表达式为：
Figure BDA0003828008170000028
其中，Sa为应力幅值；Sm为应力均值；R＝Smin/Smax，Smin为各风速下最小应力；A、B分别为叶片材料参数；N为疲劳寿命；Su为风力机叶片的随机载荷作用下循环应力。
优选的，步骤6的具体过程为：
步骤61：根据广义S-N曲线方程获得单个循环周期内引起的疲劳损伤函数，表达式为：
Figure BDA0003828008170000031
N为疲劳寿命；Sa为应力幅值；Sm为应力均值；
步骤62：基于修正的Miner准则，根据单个循环周期内引起的疲劳损伤函数和联合概率密度计算各风速下经历若干次循环应力引起的疲劳累积损伤，表达式为：
Figure BDA0003828008170000032
其中，D(n)表示各风速下经历n次循环应力引起的疲劳累积损伤；D(1)表示疲劳损伤函数；f(Sa,Sm)为联合概率密度；
步骤63：对所有风速下的疲劳累积损伤进行求和，获得风力机叶片的疲劳寿命，表达式为：
Figure BDA0003828008170000033
Y表示疲劳寿命；D表示疲劳累积损伤。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法，针对带有褶皱缺陷的风力机叶片，对叶片载荷的随机变化情况进行全面考虑，以该情况叶片材料的S-N曲线为基础，将承受应力幅值和应力均值共同作用的疲劳寿命看作二元函数，提出修正的Miner准则进行损伤累积的评估，从而建立随机载荷下实际风力机叶片疲劳寿命预测模型，实现了更为接近真实情况下的风力机叶片主梁寿命预测，大大提高了寿命预测的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的叶片主梁寿命预测方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法，针对带有褶皱缺陷的风力机叶片，对叶片载荷的随机变化情况进行全面考虑，更为接近真实情况下预测风力机叶片主梁寿命。
以实际1.5MW的风力机叶片为例：
(1)获取风力机运行中各风速下的相关数据，按照风速进行数据划分，如表1所示；
表1 1.5MW风力机叶片的载荷情况
Figure BDA0003828008170000041
(2)根据各风速下最大应力Smax与对应的失效循环数Ni的关系，由最小二乘法拟合求解S-N曲线公式Smax＝AlgN+B中的叶片材料参数A、B，求解后两个参数值为：A＝-18.40，B＝188.76；
(3)通过公式
Figure BDA0003828008170000042
和公式
Figure BDA0003828008170000043
分别求出各风速下相应的应力幅值Sa和应力均值Sm，(其中R＝Smin/Smax，Smin为各风速下最小应力)，结果显示在表2中；
(4)求出应力幅值Sa和应力均值Sm后，对联合概率密度公式
Figure BDA0003828008170000051
中的五个特征参量进行估计，得到应力幅值Sa的平均值
Figure BDA0003828008170000057
标准差
Figure BDA0003828008170000058
应力均值Sm的平均值
Figure BDA0003828008170000059
标准差
Figure BDA00038280081700000510
从而得到该风力机叶片应力幅值Sa和应力均值Sm的联合概率密度函数f(Sa,Sm)；
(5)将参数A和B的值代入公式
Figure BDA0003828008170000052
得到该风力机叶片的随机载荷作用下循环应力S与疲劳寿命N的广义S-N曲线方程，从而求得单个循环周期内引起的疲劳损伤函数
Figure BDA0003828008170000053
(6)把(5)中的该风力机叶片单个循环周期内引起的疲劳损伤D(1)和(4)中的该风力机叶片联合概率密度函数f(Sa,Sm)代入公式
Figure BDA0003828008170000054
分别求出各风速下经历n次循环应力引起的疲劳累积损伤Di，计算结果列于表2中，然后将各风速下疲劳累积损伤求和∑D＝1.16×10-2+1.21×10-2+1.02×10-2+1.32×10-2＝0.0471，从而求出该风力机叶片的疲劳寿命为
Figure BDA0003828008170000055
表2 1.5MW风力机叶片的Sa，Sm和Di结果
Figure BDA0003828008170000056
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取风力机运行中各风速下的相关数据，并按照风速进行数据划分；
步骤2：根据各风速下的相关数据中的最大应力和失效循环数，均采用最小二乘法拟合求解S-N曲线；
步骤3：根据最大应力值求解各风速下相应的应力幅值和应力均值；
步骤4：根据应力幅值计算联合概率密度；
步骤5：根据应力幅值和应力均值计算获得风力机叶片的随机载荷作用下循环应力与疲劳寿命的广义S-N曲线方程；
步骤6：根据广义S-N曲线方程，建立应力幅值和应力均值共同作用下的疲劳寿命二元函数，并采用修正的Miner准则进行损伤累积评估，预测获得叶片疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法，其特征在于，步骤2中求解S-N曲线公式为：
Smax＝AlgN+B
其中，Smax为最大应力；N为疲劳寿命；A、B分别为叶片材料参数。
3.根据权利要求1所述的含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法，其特征在于，应力幅值计算公式为：
Figure FDA0003828008160000011
其中，Sa为应力幅值；Smax为最大应力；R＝Smin/Smax，Smin为各风速下最小应力；
应力均值计算公式为：
Figure FDA0003828008160000012
Sm为应力均值。
4.根据权利要求1所述的含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法，其特征在于，联合概率密度公式为：
Figure FDA0003828008160000021
其中，Sa为应力幅值；
Figure FDA0003828008160000022
为应力幅值平均值；
Figure FDA0003828008160000023
为应力幅值标准差；Sm为应力均值；
Figure FDA0003828008160000024
为应力均值平均值；
Figure FDA0003828008160000025
为应力均值标准差。
5.根据权利要求1所述的含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法，其特征在于，建立以应力幅值Sa和应力均值Sm为自变量的随机载荷作用下带有褶皱缺陷的叶片材料的循环应力S与疲劳寿命N的广义S-N曲线方程，广义S-N曲线方程表达式为：
Figure FDA0003828008160000026
其中，Sa为应力幅值；Sm为应力均值；R＝Smin/Smax，Smin为各风速下最小应力；A、B分别为叶片材料参数；N为疲劳寿命；Su为风力机叶片的随机载荷作用下循环应力。
6.根据权利要求1所述的含缺陷风电叶片主梁在随机载荷作用下的寿命预测方法，其特征在于，步骤6的具体过程为：
步骤61：根据广义S-N曲线方程获得单个循环周期内引起的疲劳损伤函数，表达式为：
Figure FDA0003828008160000027
N为疲劳寿命；Sa为应力幅值；Sm为应力均值；
步骤62：基于修正的Miner准则，根据单个循环周期内引起的疲劳损伤函数和联合概率密度计算各风速下经历若干次循环应力引起的疲劳累积损伤，表达式为：
Figure FDA0003828008160000028
其中，D(n)表示各风速下经历n次循环应力引起的疲劳累积损伤；D(1)表示疲劳损伤函数；f(Sa,Sm)为联合概率密度；
步骤63：对所有风速下的疲劳累积损伤进行求和，获得风力机叶片的疲劳寿命，表达式为：
Figure FDA0003828008160000029
Y表示疲劳寿命；D表示疲劳累积损伤。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117272666A (zh) * 2023-10-08 2023-12-22 上海勘测设计研究院有限公司 一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法

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CN117272666A (zh) * 2023-10-08 2023-12-22 上海勘测设计研究院有限公司 一种漂浮式海上风机的叶片疲劳寿命计算方法
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