CN115791044B - 一种风电叶片双轴动态加载装置、方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种风电叶片双轴动态加载装置、方法和系统，所述动态加载装置包括：激振模组、支撑架、夹具和控制装置；所述夹具套接于风电叶片外侧，且夹紧风电叶片；所述支撑架设置于地基上；所述激振模组与所述支撑架连接；所述控制装置与激振模组连接；所述控制装置用于，控制所述激振模组为所述夹具提供竖直方向的周期激励载荷，进而使所述风电叶片在摆振方向以固有频率振动；和/或为所述夹具提供水平方向的周期激励载荷，进而使所述风电叶片在挥舞方向以固有频率振动；本发明通过外部作用力激振的方式实现同时对摆振和挥舞方向分别加载，加载方式不会影响叶片固有频率在摆振和挥舞两个方向的激振。
Description
技术领域
本发明属于风力发电机组试验检测技术领域，具体涉及一种风电叶片双轴动态加载装置、方法和系统。
背景技术
由于叶片长期运行在恶劣的环境中，要求叶片具有较高的疲劳强度和力学性能，因此叶片疲劳性能测试非常必要。目前普遍采用质量块共振的方式对叶片进行动态加载，激振方向通常为单一摆振或挥舞方向。但伴随着大型、超大型海上风电叶片的设计和制造，偏心质量块的激振方式逐渐显示出叶片载荷分布不均、激振力过小、周期过长等缺点。中国国家标准《风力发电机组—风轮叶片》GB/T 25383规定叶片的设计寿命应该大于或等于20年的使用寿命。实际上叶片的使用寿命在很大程度上取决于它的疲劳寿命，疲劳破坏是叶片最主要的失效方式之一。为保证叶片实际使用寿命不低于设计寿命，需在叶片服役之前对叶片进行疲劳性能试验。
现有的叶片疲劳试验普遍以沿叶片展向的设计弯矩为依据，采用单点激励对叶片的危险区域进行针对性试验。随着叶片尺寸大型化，单点加载疲劳试验已不能满足实际需要。为准确把握叶片在设计寿命期内的损伤情况，只有在试验弯矩更接近目标弯矩的条件下对叶片进行全尺寸疲劳试验，才能有效验证叶片质量和寿命。世界上知名叶片的生产制造公司大都拥有双轴疲劳测试设备，类型主要有强制位移式和强制共振混合式，系统存在效率低、控制复杂等不足。
在现有技术中，风电叶片双向电动往复式疲劳加载系统振动特性分析基于电动往复式激振器，设计风电叶片摆振和挥舞双向共振疲劳加载试验系统，建立系统动力学耦合模型，数值仿真系统的振动耦合特性，构建风电叶片双向疲劳加载系统，现场试验验证理论分析及仿真试验的正确性。激振方式仍采用质量块沿摆振和挥舞方向往复运动的加载模式；该技术仅针对风电叶片采用质量共振的方式加载。同时在叶片的摆振和挥舞方向安装质量块，并控制质量块按叶片的固有频率进行往复运动，以激发结构共振，有以下缺点：
（1）由于挥舞和摆振方向的质量块款均直接安装在叶片上，相当于增加了叶片本身的质量，且对叶片引入了额外的重力作用。
（2）摆振方向的附加质量块，不仅影响系统摆振固有频率，也影响了挥舞方向固有频率。挥舞方向的附加质量块，不仅影响系统挥舞固有频率，也影响了摆振方向固有频率。
（3）在摆振和挥舞方向同时附加质量块，在两个方向同时干扰了固有频率，使得质量块往复运动的频率的控制难度增大。
在现有的一种风力机叶片共振式双轴疲劳加载方法，CN113624428A公开了一种风力机叶片共振式双轴疲劳加载方法，通过分别考虑风电叶片在挥舞与摆振方向的目标载荷，在叶片挥舞与摆振方向分别安放激振装置以及配重质量块。通过试加载，分别监控叶片在挥舞与摆振方向振动情况的力矩分布情况，通过调节激振装置位置、配重质量块的质量大小与位置，以及激振频率和激振幅值，实现在挥舞方向与摆振方向的加载载荷与测试目标载荷相一致或相接近，但该技术仍然是直接在叶片上附加质量块来施加动态载荷。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种风电叶片双轴动态加载装置，所述动态加载装置包括：激振模组、支撑架、夹具和控制装置；所述夹具套接于风电叶片外侧，且夹紧风电叶片；所述支撑架设置于地基上；所述激振模组与所述支撑架连接；所述控制装置与激振模组连接；
所述控制装置用于：控制所述激振模组在竖直方向为所述夹具提摆振输出力幅值，进而使所述风电叶片在摆振方向以固有频率振动；和/或在水平方向为所述夹具提供挥舞输出力幅值，进而使所述风电叶片在挥舞方向以固有频率振动。
优选的，所述激振模组包括：激振模块、激振连杆、力传感器；
所述激振模块与所述控制装置连接，所述激振连杆的一端通过所述力传感器连接夹具，所述激振连杆的另一端连接激振模块。
优选的，所述力传感器与所述夹具通过球形铰链连接。
优选的，所述支撑架包括：底座，所述底座固定设置于地基上；所述激振模组与所述底座固定连接；所述激振模组垂直于底座且靠近夹具的一端与所述夹具的底部连接；所述激振模组用于在水平方向为所述夹具提供挥舞输出力幅值。
优选的，所述支撑架包括：底座和支撑结构，所述底座固定设置于地基上，所述支撑结构垂直设置于所述底座上。
优选的，所述激振模组与所述支撑结构的一侧固定连接；所述激振模组垂直于支撑结构且靠近夹具的一端与所述夹具靠近所述支撑结构的一侧连接；所述激振模组用于在竖直方向为所述夹具提供摆振输出力幅值。
优选的，所述激振模组有两个，分别为第一激振模组和第二激振模组；
所述第一激振模组与所述底座固定连接；所述第一激振模组垂直于底座且靠近夹具的一端与所述夹具的底部连接；所述第一激振模组用于在水平方向为所述夹具提供挥舞输出力幅值；
所述第二激振模组与所述支撑结构的一侧固定连接；所述第二激振模组垂直于支撑结构且靠近夹具的一端与所述夹具靠近所述支撑结构的一侧连接；所述第二激振模组用于在竖直方向为所述夹具提供摆振输出力幅值。
优选的，所述激振模块包括：中空的激振模块框架、作动器、连接装置和激振端铰链；
所述激振模块框架与支撑架固定连接；所述作动器设置于所述激振模块框架内；所述连接装置一部分固定于所述激振模块框架内，另一部分穿过激振模块框架与激振端铰链连接；所述激振端铰链与激振连杆连接；
所述作动器还与控制装置相连接。
优选的，所述连接装置包括：支撑端铰链、平面轴承、作动端铰链和加载臂；
所述支撑端铰链和所述平面轴承设置于所述激振模块框架内，且位于所述激振模块框架的两侧；
所述作动器设置于所述支撑端铰链和所述平面轴承之间，并与所述支撑端铰链和所述平面轴承固定连接；
所述支撑端铰链远离所述作动器的一端固定于所述激振模块框架的内表面；所述平面轴承的轴心固定于激振模块框架的内壁；
所述加载臂为三角形结构，所述三角形结构的两个端点位于所述激振模块框架内，剩余一个端点位于所述激振模块框架外；所述加载臂位于所述激振模块框架内的两个端点分别与所述作动端铰链和所述平面轴承的轴承外圈连接；激振端铰链与所述加载臂位于所述激振模块框架外的端点连接。
优选的，所述平面轴承用于所述加载臂绕轴承在竖直方向的加载平面内或水平方向的加载平面内进行转动。
优选的，所述作动器的作动结构为液压机结构。
优选的，所述支撑端铰链、作动端铰链和激振端铰链均为球形铰链。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种风电叶片双轴动态加载方法，所述方法包括：
根据风电叶片动态加载的实验参数，计算风电叶片在摆振方向和/或挥舞方向固有频率振动下的摆振和/或挥舞输出力幅值；
基于所述风电叶片在摆振方向和/或挥舞方向的输出力幅值得到风电叶片双轴动态加载装置的夹具在竖直方向和/或水平方向输出力；
基于所述竖直方向和/或水平方向输出力控制风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向和/或水平方向的力的加载；
其中，所述风电叶片双轴动态加载装置为如前所述的一种风电叶片双轴动态加载装置。
优选的，所述控制风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向和/或水平方向的力的加载包括：
根据所述风电叶片在摆振方向的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在竖直方向的输出力，实现风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向的力的加载；
根据所述风电叶片在挥舞方向的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在水平方向的输出力，实现所述激振模组在水平方向的力的加载；
根据所述风电叶片在摆振和挥舞方向共同的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在水平和竖直方向的双轴动态加载输出力，实现所述激振模组的双轴动态加载。
优选的，所述风电叶片动态加载的实验参数包括：
风电叶片摆振和/或挥舞方向等效弯曲刚度、风电叶片双轴动态加载装置的作动器在摆振和/或挥舞方向的一阶固有频率、阻尼系数、风电叶片在摆振和/或挥舞方向的动态加载弯矩。
优选的，所述根据风电叶片动态加载的实验参数，计算风电叶片在摆振方向和/或挥舞方向固有频率振动下的摆振和/或挥舞输出力幅值，包括：
根据风电叶片在摆振方向上的摆振动态加载弯矩计算得到风电叶片在摆振方向上的摆振输出力幅值；
和/或根据风电叶片在挥舞方向上的挥舞动态加载弯矩计算得到风电叶片在挥舞方向上的挥舞输出力幅值。
优选的，当摆振动态加载时，所述摆振输出力幅值的计算式如下：
式中，为摆振动态加载弯矩，为风电叶片摆振方向等效弯曲刚度，为
一阶振型函数，为摆振输出力幅值，为作动器在摆振方向的一阶固有频率，为阻尼系
数。
优选的，当挥舞动态加载时，所述挥舞输出力幅值的计算式如下：
式中，为挥舞动态加载弯矩，为风电叶片挥舞方向等效弯曲刚度，为一
阶振型函数，为挥舞输出力幅值，为作动器在挥舞方向的一阶固有频率为阻尼系数。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种风电叶片双轴动态加载系统，包括：
获取模块，用于根据风电叶片动态加载的实验参数，计算风电叶片在摆振方向和/或挥舞方向固有频率振动下的摆振和/或挥舞输出力幅值；
处理模块，用于基于所述风电叶片在摆振方向和/或挥舞方向的输出力幅值得到风电叶片双轴动态加载装置的夹具在竖直方向和/或水平方向输出力；
控制模块，用于基于所述竖直方向和/或水平方向输出力控制风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向和/或水平方向的力的加载；
其中，所述风电叶片双轴动态加载装置为如前所述的一种风电叶片双轴动态加载装置。
优选的，所述控制风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向和/或水平方向的力的加载包括：
根据所述风电叶片在摆振方向的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在竖直方向的输出力，实现风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向的力的加载；
根据所述风电叶片在挥舞方向的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在水平方向的输出力，实现所述激振模组在水平方向的力的加载；
根据所述风电叶片在摆振和挥舞方向共同的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在水平和竖直方向的双轴动态加载输出力，实现所述激振模组的双轴动态加载。
优选的，所述风电叶片动态加载的实验参数包括：
风电叶片摆振和/或挥舞方向等效弯曲刚度、风电叶片双轴动态加载装置的作动器在摆振和/或挥舞方向的一阶固有频率、阻尼系数、风电叶片在摆振和/或挥舞方向的动态加载弯矩。
优选的，所述根据风电叶片动态加载的实验参数，计算风电叶片在摆振方向和/或挥舞方向固有频率振动下的摆振和/或挥舞输出力幅值，包括：
根据风电叶片在摆振方向上的摆振动态加载弯矩计算得到风电叶片在摆振方向上的摆振输出力幅值；
和/或根据风电叶片在挥舞方向上的挥舞动态加载弯矩计算得到风电叶片在挥舞方向上的挥舞输出力幅值。
优选的，当摆振动态加载时，所述摆振输出力幅值的计算式如下：
式中，为摆振动态加载弯矩，为风电叶片摆振方向等效弯曲刚度，为
一阶振型函数，为摆振输出力幅值，为作动器在摆振方向的一阶固有频率，为阻尼系
数。
优选的，当挥舞动态加载时，所述挥舞输出力幅值的计算式如下：
式中，为挥舞动态加载弯矩，为风电叶片挥舞方向等效弯曲刚度，为一
阶振型函数，为挥舞输出力幅值，为作动器在挥舞方向的一阶固有频率为阻尼系数。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种风电叶片双轴动态加载计算机设备，包括：一个或
多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如前所述的风电叶片双轴动态加载方法。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种风电叶片双轴动态加载计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如前所述的风电叶片双轴动态加载方法。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明所设计的一种风电叶片双轴动态加载装置包括：激振模组、支撑架、夹具和控制装置；所述夹具套接于风电叶片外侧，且夹紧风电叶片；所述支撑架设置于地基上；所述激振模组与所述支撑架连接；所述控制装置与激振模组连接；所述控制装置用于：控制所述激振模组在竖直方向为所述夹具提供摆振输出力幅值，进而使所述风电叶片在摆振方向以固有频率振动；和/或在水平方向为所述夹具提供挥舞输出力幅值，进而使所述风电叶片在挥舞方向以固有频率振动；本发明通过外部作用力激振的方式实现对摆振和挥舞方向分别进行加载，将激振力设置于叶片外的加载方式不会影响叶片固有频率，两个方向的激振动作也不会互相影响。
附图说明
图1为本发明提供的一种风电叶片疲劳试验动态加载装置示意图；
图2位本发明提供的一种风电叶片双轴动态加载的摆振动态加载模式示意图；
图3为本发明提供的一种风电叶片双轴动态加载的挥舞动态加载模式示意图；
图4为本发明提供的一种风电叶片双轴动态加载的双轴动态加载模式示意图；
图5 为本发明提供的一种风电叶片双轴动态加载装置的激振模块结构示意图；
图6为本发明提供的一种风电叶片双轴动态加载方法的流程示意图；
图7为本发明提供的一种风电叶片双轴动态加载的摆振方向动态加载的载荷曲线；
图8为本发明提供的一种风电叶片双轴动态加载的挥舞方向动态加载的载荷曲线；
图9为本发明提供的一种风电叶片双轴动态加载的挥舞力矩和摆振力矩随
时间变化情况；
图10为本发明提供的一种风电叶片双轴动态加载的双轴动态加载时不同时刻摆振与挥舞方向弯矩关系；
图11为本发明提供的一种风电叶片双轴动态加载系统的结构示意图；
附图标记说明：
1-激振模块，2-激振连杆，3-力传感器，4-底座，5-地基，6-夹具，7-风电叶片，8-支撑结构，9-激振模块框架，10-激振端铰链，11-作动器，12-平面轴承，13-支撑端铰链，14-作动端铰链，15-加载臂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种风电叶片双轴动态加载装置，所述动态加载装置包括：激振模组、支撑架、夹具6和控制装置；所述夹具6套接于风电叶片7外侧，且夹紧风电叶片7；所述支撑架设置于地基5上；所述激振模组与所述支撑架连接；所述控制装置与激振模组连接；
所述控制装置用于：控制所述激振模组在竖直方向为所述夹具6提供摆振输出力幅值，进而使所述风电叶片7在摆振方向以固有频率振动；和/或在水平方向为所述夹具6提供挥舞输出力幅值，进而使所述风电叶片7在挥舞方向以固有频率振动。
所述夹具6安装于叶片截面，即激振位置的横截面，截面可根据叶片疲劳加载的具体需求进行选择。
具体的，所述激振模组包括：激振模块1、激振连杆2、力传感器3；所述激振模块1与所述控制装置连接，所述激振连杆2的一端通过所述力传感器3连接夹具6，所述激振连杆2的另一端连接激振模块1。
所述激振模块1分别设置在摆振和挥舞反向方向，所述激振模块1连接驱动连杆进行往复运动，从而实现对叶片的激振。
所述激振连杆2用于传递叶片摆振和挥舞方向的运动，将激振模块1的往复运动传递到夹具6上，激振连杆2与激振模块1使用球形铰链连接，另一端安装力传感器3。
具体的，所述力传感器3与所述夹具6通过球形铰链连接。
具体的，所述激振模组包括挥舞频率调节装置和/或摆振频率调节装置；
所述挥舞频率调节装置用于在竖直方向为所述夹具6提供摆振输出力幅值；
所述摆振频率调节装置用于在水平方向为所述夹具6提供挥舞输出力幅值。
当所述激振模组包括挥舞频率调节装置时，如图3所示，支撑架包括：底座4，所述底座4固定设置于地基5上；所述激振模组与所述底座4固定连接；所述激振模组垂直于底座4且靠近夹具6的一端与所述夹具6的底部连接；所述激振模组用于在水平方向为所述夹具6提供挥舞输出力幅值。
当所述激振模组包括摆振频率调节装置时，如图2所示，所述支撑架包括：底座4和支撑结构8，所述底座4固定设置于地基5上，所述支撑结构8垂直设置于所述底座4上。
具体的，所述激振模组与所述支撑结构8的一侧固定连接；所述激振模组垂直于支撑结构8且靠近夹具6的一端与所述夹具6靠近所述支撑结构8的一侧连接；所述激振模组用于在竖直方向为所述夹具6提供摆振输出力幅值。
当所述激振模组包括挥舞频率调节装置和摆振频率调节装置时，如图4所示，所述激振模组有两个，分别为第一激振模组和第二激振模组；第一激振模组也称为挥舞方向的激振模组；第二激振模组也称为摆振方向的激振模组；
所述第一激振模组与所述底座4固定连接；所述第一激振模组垂直于底座4且靠近夹具6的一端与所述夹具6的底部连接；所述第一激振模组用于在水平方向为所述夹具6提供挥舞输出力幅值；
所述第二激振模组与所述支撑结构8的一侧固定连接；所述第二激振模组垂直于支撑结构8且靠近夹具6的一端与所述夹具6靠近所述支撑结构8的一侧连接；所述第二激振模组用于在竖直方向为所述夹具6提供摆振输出力幅值。
所述双轴动态加载装置的底座4固定安装在地基5上，所述激振模块1固定安装在底座4上，用于实现挥舞方向的激振；所述底座4固定安装在地基5上，可根据实际需求沿叶片长度方向调整安装位置。
所述支撑结构8固定安装在底座4上，不使用时可拆卸，用于支撑摆振方向激振模块1，激振模块1固定安装在支撑结构8上，可根据实际需求选择安装位置，可提高装置的灵活性。
如图5所示，所述激振模块1包括：中空的激振模块框架9、作动器11、连接装置和激振端铰链10；
所述激振模块框架9与支撑架固定连接；所述作动器11设置于所述激振模块框架9内；所述连接装置一部分固定于所述激振模块框架9内，另一部分穿过激振模块框架9与激振端铰链10连接；所述激振端铰链10与激振连杆2连接；
所述作动器11还与控制装置相连接。
具体的，所述连接装置包括：支撑端铰链13、平面轴承12、作动端铰链14和加载臂15；
所述支撑端铰链13和所述平面轴承12设置于所述激振模块框架9内，且位于所述激振模块框架9的两侧；
所述作动器11设置于所述支撑端铰链13和所述平面轴承12之间，并与所述支撑端铰链13和所述平面轴承12固定连接；
所述支撑端铰链13远离所述作动器11的一端固定于所述激振模块框架9的内表面；所述平面轴承12的轴心固定于激振模块框架9的内壁；
所述加载臂15为三角形结构，所述三角形结构的两个端点位于所述激振模块框架9内，剩余一个端点位于所述激振模块框架9外；所述加载臂15位于所述激振模块框架9内的两个端点分别与所述作动端铰链14和所述平面轴承12的轴承外圈连接；激振端铰链10与所述加载臂15位于所述激振模块框架9外的端点连接。
所述加载臂15通过所述平面轴承12与激振模块框架9连接，所述加载臂15起到杠杆作用，将作动端的水平运动转化为激振端的数竖直运动。
具体的，所述平面轴承12用于所述加载臂15绕轴承在竖直方向的加载平面内或水平方向的加载平面内进行转动。
所述激振模块框架9是激振模块1的主要支撑结构8，所述平面轴承12的轴心固定在激振模块框架9上，轴承外圈与加载臂15固定连接，使得加载臂15仅能绕轴承在加载平面y-z内转动。
具体的，所述作动器11的作动结构为液压机结构。
作动器11主要起到伸缩运动的作用，具备伸缩加载功能的装置均可用于作动器11，如液压缸。
具体的，所述支撑端铰链13、作动端铰链14和激振端铰链10均为球形铰链。
所述力传感器3与所述夹具6通过球形铰链连接，所述球形铰链将激振端与激振连杆2相连，使得加载臂15与激振连杆2之间仅传递力，不产生力矩。
实施例2：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种风电叶片双轴动态加载方法，如图6所示，所述方法包括：
根据风电叶片7动态加载的实验参数，计算风电叶片7在摆振方向和/或挥舞方向固有频率振动下的摆振和/或挥舞输出力幅值；
基于所述风电叶片7在摆振方向和/或挥舞方向的输出力幅值得到风电叶片双轴动态加载装置的夹具6在竖直方向和/或水平方向输出力；
基于所述竖直方向和/或水平方向输出力控制风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向和/或水平方向的力的加载；
其中，所述风电叶片双轴动态加载装置为如前所述的一种风电叶片双轴动态加载装置。
具体的，所述控制风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向和/或水平方向的力的加载包括：
根据所述风电叶片在摆振方向的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在竖直方向的输出力，实现风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向的力的加载；
根据所述风电叶片在挥舞方向的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在水平方向的输出力，实现所述激振模组在水平方向的力的加载；
根据所述风电叶片在摆振和挥舞方向共同的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在水平和竖直方向的双轴动态加载输出力，实现所述激振模组的双轴动态加载。
具体的，所述风电叶片动态加载的实验参数包括：
风电叶片7摆振和/或挥舞方向等效弯曲刚度、风电叶片双轴动态加载装置的作动器11在摆振和/或挥舞方向的一阶固有频率、阻尼系数、风电叶片7在摆振和/或挥舞方向的动态加载弯矩。
具体的，所述根据风电叶片动态加载的实验参数，计算风电叶片7在摆振方向和/或挥舞方向固有频率振动下的摆振和/或挥舞输出力幅值，包括：
根据风电叶片7在摆振方向上的摆振动态加载弯矩计算得到风电叶片7在摆振方向上的摆振输出力幅值；
和/或根据风电叶片7在挥舞方向上的挥舞动态加载弯矩计算得到风电叶片7在挥舞方向上的挥舞输出力幅值。
在进行风电叶片的双轴疲劳试验时，同时在叶片的挥舞和摆振方向施加外部摆振和/或输出力幅值，激励载荷的频率大小分别等于叶片在挥舞和摆振方向的固有频率；目的是在挥舞和摆振方向发生共振，利用结构的共振对叶片进行双轴动态加载。
使用如图2所示的装置，当摆振动态加载时，所述摆振输出力幅值的计算式如下：
式中，为摆振动态加载弯矩，为风电叶片7摆振方向等效弯曲刚度，为
一阶振型函数，为摆振输出力幅值，为作动器11的一阶固有频率，为阻尼系数。
具体的，所述摆振方向一阶振型函数的计算式如下：
所述摆振输出频率对应的计算式如下：
式中，为摆振输出频率，为叶片摆振方向等效弯曲刚度，为摆振输出力幅
值，为叶片等效截面积，叶片等效密度，。
具体的，所述摆振输出力幅值的计算式如下：
式中，作动器11力臂，为激振力臂，为摆振方向作动器的输出力幅值。
具体的，所述摆振方向的出力幅值的计算式如下：
式中，为作动器11输出力，为作动器11的一阶输出频率，为时间。
通过如上计算，获得如图7所示的摆振疲劳动态加载的载荷曲线，当进行摆振方向激振时，激振力频率等于摆振方向一阶固有频率0.5Hz，当叶片与激振力产生共振，当振动达到稳态后，叶片按照自身摆振方向一阶固有频率进行振动。
使用如图3所示的装置，当挥舞动态加载时，所述挥舞输出力幅值的计算式如下：
式中，为挥舞动态加载弯矩，为风电叶片7挥舞方向等效弯曲刚度，为
一阶振型函数，为挥舞输出力幅值，为作动器11的一阶固有频率为阻尼系数。
所述挥舞输出频率对应的计算式如下：
式中，为挥舞输出频率，为叶片挥舞方向等效弯曲刚度，为挥舞输出力幅
值，为叶片等效截面积，叶片等效密度，。
具体的，所述挥舞输出力幅值的计算式如下：
式中，作动器11力臂，为激振力臂，为挥舞方向作动器的输出力幅值。
具体的，所述挥舞方向的出力幅值的计算式如下：
式中，为作动器11输出力，为一阶输出频率，为时间。
通过如上计算，获得如图8所示的挥舞疲劳动态加载的载荷曲线，当进行挥舞方向激振时，激振力频率等于挥舞方向一阶固有频率0.7Hz，叶片与激振力产生共振，当振动达到稳态后，叶片按照自身挥舞方向一阶固有频率进行振动。
实施例3：
使用如图4所示的双轴动态加载装置，当在进行双轴动态加载时，所述双轴共振时动态加载合力弯矩由摆振动态加载弯矩和挥舞动态加载弯矩合成，所述双轴共振时动态加载合力弯矩与摆振动态加载弯矩、挥舞动态加载弯矩的关系计算式如下：
式中，为动态加载合力弯矩，为摆振方向动态加载弯矩，为挥舞方向动态
加载弯矩。
通过使用外部激振力对叶片进行激振，避免了在叶片上附加质量块激振方式引起的固有频率改变，摆振方向与挥舞方向弯矩的加载方式与实施例2一致，不再赘述。
当进行双轴疲劳方向激振时，挥舞激振力频率等于挥舞方向一阶固有频率0.7Hz，
摆振激振力频率等于摆振方向一阶固有频率0.5Hz，当系统发生共振，得到稳态响应，不同
时刻挥舞力矩和摆振力矩的关系，其中所述挥舞力矩和摆振力矩的关系如图9
所示，而在双轴疲劳动态加载时,不同时刻摆振与挥舞方向弯矩关系将如图10所示，图中等
式中的为挥舞方向一阶固有频率，为摆振方向一阶固有频率，当挥舞方向一阶固有频
率达到0.7Hz，摆振方向一阶固有频率达到0.5Hz时，双轴疲劳动态加载能够稳态响应。
实施例4：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种如图11所示的风电叶片双轴动态加载系统，包括：
获取模块，用于根据风电叶片7动态加载的实验参数，计算风电叶片7在摆振方向和/或挥舞方向固有频率振动下的摆振和/或挥舞输出力幅值；
处理模块，用于基于所述风电叶片7在摆振方向和/或挥舞方向的输出力幅值得到风电叶片双轴动态加载装置的夹具6在竖直方向和/或水平方向输出力；
控制模块，用于基于所述竖直方向和/或水平方向输出力控制风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向和/或水平方向的力的加载；
其中，所述风电叶片双轴动态加载装置为如前所述的一种风电叶片双轴动态加载装置。
具体的，所述控制风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向和/或水平方向的力的加载包括：
根据所述风电叶片在摆振方向的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在竖直方向的输出力，实现风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向的力的加载；
根据所述风电叶片在挥舞方向的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在水平方向的输出力，实现所述激振模组在水平方向的力的加载；
根据所述风电叶片在摆振和挥舞方向共同的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在水平和竖直方向的双轴动态加载输出力，实现所述激振模组的双轴动态加载。
具体的，所述风电叶片7动态加载的实验参数包括：
风电叶片7摆振和/或挥舞方向等效弯曲刚度、风电叶片双轴动态加载装置的作动器11在摆振和/或挥舞方向的一阶固有频率、阻尼系数、风电叶片7在摆振和/或挥舞方向的动态加载弯矩。
具体的，所述根据风电叶片7动态加载的实验参数，计算风电叶片7在摆振方向和/或挥舞方向固有频率振动下的摆振和/或挥舞输出力幅值，包括：
根据风电叶片7在摆振方向上的摆振动态加载弯矩计算得到风电叶片7在摆振方向上的摆振输出力幅值；
和/或根据风电叶片7在挥舞方向上的挥舞动态加载弯矩计算得到风电叶片7在挥舞方向上的挥舞输出力幅值。
当摆振动态加载时，所述摆振输出力幅值的计算式如下：
式中，为摆振动态加载弯矩，为风电叶片7摆振方向等效弯曲刚度，为
一阶振型函数，为摆振输出力幅值，为作动器11的一阶固有频率，为阻尼系数。
所述摆振输出频率对应的计算式如下：
式中，为摆振输出频率，为叶片摆振方向等效弯曲刚度，为摆振输出力幅
值，为叶片等效截面积，叶片等效密度，。
当挥舞动态加载时，所述挥舞输出力幅值的计算式如下：
式中，为挥舞动态加载弯矩，为风电叶片7挥舞方向等效弯曲刚度，为
一阶振型函数，为挥舞输出力幅值，为作动器11的一阶固有频率为阻尼系数。
所述挥舞输出频率对应的计算式如下：
式中，为挥舞输出频率，为叶片挥舞方向等效弯曲刚度，为挥舞输出力幅
值，为叶片等效截面积，叶片等效密度，。
当在进行双轴动态加载时，所述双轴共振时动态加载合力弯矩由摆振动态加载弯矩和挥舞动态加载弯矩合成，所述双轴共振时动态加载合力弯矩与摆振动态加载弯矩、挥舞动态加载弯矩的关系计算式如下：
式中，为动态加载合力弯矩，为摆振方向动态加载弯矩，为挥舞方向动态
加载弯矩。
通过使用外部激振力对叶片进行激振，避免了在叶片上附加质量块激振方式引起的固有频率改变，摆振方向与挥舞方向弯矩的加载方式与实施例2一致，不再赘述。
实施例5：
基于统一发明构思，本发明还提供了一种风电叶片双轴动态加载计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor、DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中风电叶片双轴动态加载方法。
实施例6：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种风电叶片双轴动态加载计算机可读存储介质，具体为计算机可读存储介质（Memory），所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序（包括程序代码）。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM 存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中风电叶片双轴动态加载方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (19)
1.一种风电叶片双轴动态加载装置，其特征在于，所述动态加载装置包括：激振模组、支撑架、夹具(6)和控制装置；所述夹具(6)套接于风电叶片(7)外侧，且夹紧风电叶片(7)；所述支撑架设置于地基(5)上；所述激振模组与所述支撑架连接；所述控制装置与激振模组连接；所述激振模组与所述支撑结构(8)的一侧固定连接；所述激振模组垂直于支撑结构(8)且靠近夹具(6)的一端与所述夹具(6)靠近所述支撑结构(8)的一侧连接；所述激振模组用于在竖直方向为所述夹具(6)提供摆振输出力幅值；
所述激振模组有两个，分别为第一激振模组和第二激振模组；
所述第一激振模组与所述底座(4)固定连接；所述第一激振模组垂直于底座(4)且靠近夹具(6)的一端与所述夹具(6)的底部连接；所述第一激振模组用于在水平方向为所述夹具(6)提供挥舞输出力幅值；
所述第二激振模组与所述支撑结构(8)的一侧固定连接；所述第二激振模组垂直于支撑结构(8)且靠近夹具(6)的一端与所述夹具(6)靠近所述支撑结构(8)的一侧连接；所述第二激振模组用于在竖直方向为所述夹具(6)提供摆振输出力幅值；
所述控制装置用于：控制所述激振模组在竖直方向为所述夹具(6)提供摆振输出力幅值，进而使所述风电叶片(7)在摆振方向以固有频率振动；和/或在水平方向为所述夹具(6)提供挥舞输出力幅值，进而使所述风电叶片(7)在挥舞方向以固有频率振动。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激振模组包括：激振模块(1)、激振连杆(2)、力传感器(3)；
所述激振模块(1)与所述控制装置连接，所述激振连杆(2)的一端通过所述力传感器(3)连接夹具(6)，所述激振连杆(2)的另一端连接激振模块(1)。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述力传感器(3)与所述夹具(6)通过球形铰链连接。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述支撑架包括：底座(4)，所述底座(4)固定设置于地基(5)上；所述激振模组与所述底座(4)固定连接；所述激振模组垂直于底座(4)且靠近夹具(6)的一端与所述夹具(6)的底部连接；所述激振模组用于在水平方向为所述夹具(6)提供挥舞输出力幅值。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述支撑架包括：底座(4)和支撑结构(8)，所述底座(4)固定设置于地基(5)上，所述支撑结构(8)垂直设置于所述底座(4)上。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述激振模块(1)包括：中空的激振模块框架(9)、作动器(11)、连接装置和激振端铰链(10)；
所述激振模块框架(9)与支撑架固定连接；所述作动器(11)设置于所述激振模块框架(9)内；所述连接装置一部分固定于所述激振模块框架(9)内，另一部分穿过激振模块框架(9)与激振端铰链(10)连接；所述激振端铰链(10)与激振连杆(2)连接；
所述作动器(11)还与控制装置相连接。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述连接装置包括：支撑端铰链(13)、平面轴承(12)、作动端铰链(14)和加载臂(15)；
所述支撑端铰链(13)和所述平面轴承(12)设置于所述激振模块框架(9)内，且位于所述激振模块框架(9)的两侧；
所述作动器(11)设置于所述支撑端铰链(13)和所述平面轴承(12)之间，并与所述支撑端铰链(13)和所述平面轴承(12)固定连接；
所述支撑端铰链(13)远离所述作动器(11)的一端固定于所述激振模块框架(9)的内表面；所述平面轴承(12)的轴心固定于激振模块框架(9)的内壁；
所述加载臂(15)为三角形结构，所述三角形结构的两个端点位于所述激振模块框架(9)内，剩余一个端点位于所述激振模块框架(9)外；所述加载臂(15)位于所述激振模块框架(9)内的两个端点分别与所述作动端铰链(14)和所述平面轴承(12)的轴承外圈连接；激振端铰链(10)与所述加载臂(15)位于所述激振模块框架(9)外的端点连接。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述平面轴承(12)用于所述加载臂(15)绕轴承在竖直方向的加载平面内或水平方向的加载平面内进行转动。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述作动器(11)的作动结构为液压机结构。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述支撑端铰链(13)、作动端铰链(14)和激振端铰链(10)均为球形铰链。
11.一种风电叶片双轴动态加载方法，其特征在于，所述方法包括：
根据风电叶片(7)动态加载的实验参数，计算风电叶片(7)在摆振方向和/或挥舞方向固有频率振动下的摆振和/或挥舞输出力幅值；
基于所述风电叶片(7)在摆振方向和/或挥舞方向的输出力幅值得到风电叶片双轴动态加载装置的夹具(6)在竖直方向和/或水平方向输出力；
基于所述竖直方向和/或水平方向输出力控制风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向和/或水平方向的力的加载；
其中，所述风电叶片双轴动态加载装置为权利要求1至10任一项所述的一种风电叶片双轴动态加载装置。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向和/或水平方向的力的加载包括：
根据所述风电叶片在摆振方向的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在竖直方向的输出力，实现风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向的力的加载；
根据所述风电叶片在挥舞方向的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在水平方向的输出力，实现所述激振模组在水平方向的力的加载；
根据所述风电叶片在摆振和挥舞方向共同的输出力幅值和固有频率，得到所述风电叶片双轴动态加载装置在水平和竖直方向的双轴动态加载输出力，实现所述激振模组的双轴动态加载。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述风电叶片(7)动态加载的实验参数包括：
风电叶片(7)摆振和/或挥舞方向等效弯曲刚度、风电叶片双轴动态加载装置的作动器(11)在摆振和/或挥舞方向的一阶固有频率、阻尼系数、风电叶片(7)在摆振和/或挥舞方向的动态加载弯矩。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述根据风电叶片(7)动态加载的实验参数，计算风电叶片(7)在摆振方向和/或挥舞方向固有频率振动下的摆振和/或挥舞输出力幅值，包括：
根据风电叶片(7)在摆振方向上的摆振动态加载弯矩计算得到风电叶片(7)在摆振方向上的摆振输出力幅值；
和/或根据风电叶片(7)在挥舞方向上的挥舞动态加载弯矩计算得到风电叶片(7)在挥舞方向上的挥舞输出力幅值。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，当摆振动态加载时，所述摆振输出力幅值的计算式如下：
式中，Me为摆振动态加载弯矩，EIe为风电叶片(7)摆振方向等效弯曲刚度，W1(x)为一阶振型函数，Fe为摆振输出力幅值，为作动器(11)在摆振方向的一阶固有频率，η为阻尼系数。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，当挥舞动态加载时，所述挥舞输出力幅值的计算式如下：
式中，Mf为挥舞动态加载弯矩，EIf为风电叶片(7)挥舞方向等效弯曲刚度，W1(x)为一阶振型函数，Ff为挥舞输出力幅值，为作动器(11)在挥舞方向的一阶固有频率η为阻尼系数。
17.一种风电叶片双轴动态加载系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于根据风电叶片(7)动态加载的实验参数，计算风电叶片(7)在摆振方向和/或挥舞方向固有频率振动下的摆振和/或挥舞输出力幅值；
处理模块，用于基于所述风电叶片(7)在摆振方向和/或挥舞方向的输出力幅值得到风电叶片双轴动态加载装置的夹具(6)在竖直方向和/或水平方向输出力；
控制模块，用于基于所述竖直方向和/或水平方向输出力控制风电叶片双轴动态加载装置的激振模组在竖直方向和/或水平方向的力的加载；
其中，所述风电叶片双轴动态加载装置为权利要求1至10任一项所述的一种风电叶片双轴动态加载装置。
18.一种风电叶片双轴动态加载计算机设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如权利要求11至16中任一项所述的风电叶片双轴动态加载方法。
19.一种风电叶片双轴动态加载计算机可读存储介质，其特征在于，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如权利要求11至16中任一项所述的风电叶片双轴动态加载方法。
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