專利名稱：一種水平軸風(fēng)力機(jī)葉片疲勞損傷與壽命檢測(cè)結(jié)果修正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械行業(yè)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的疲勞檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)電葉片疲勞損傷問(wèn)題是風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行中所關(guān)注的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)中，一般都要求風(fēng)電葉片能滿足20年的使用壽命。風(fēng)電機(jī)組在非定常載荷作用下的運(yùn)行特性使其易發(fā)生疲勞破壞，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性和使用壽命。 而惡劣的工作環(huán)境，特殊的材料性質(zhì)，以及結(jié)構(gòu)與工藝所帶來(lái)的種種問(wèn)題，給葉片壽命評(píng)估帶來(lái)相當(dāng)大的難度。風(fēng)電葉片疲勞研究涵蓋了環(huán)境，載荷，結(jié)構(gòu)，材料等多方面的內(nèi)容，涉及空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)彈性理論、疲勞理論、復(fù)合材料等許多學(xué)科。導(dǎo)致疲勞破壞的不確定因素很多，疲勞性能很難單純依賴計(jì)算得到，由于風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)及運(yùn)行情況的特殊性，其它行業(yè)已建立的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)不能有效的應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組葉片的性能評(píng)估中來(lái)。只有進(jìn)行全尺寸葉片的疲勞測(cè)試才能提供對(duì)設(shè)計(jì)的可靠確認(rèn)。對(duì)于新設(shè)計(jì)、新工藝、新材料的風(fēng)電葉片，疲勞測(cè)試是保證葉片質(zhì)量關(guān)鍵的一環(huán)。通過(guò)測(cè)試，可以將測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以掌握葉片的疲勞性能。并且可以利用測(cè)試的結(jié)果改進(jìn)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。風(fēng)電葉片承受的載荷非常復(fù)雜，從疲勞分析角度，可歸結(jié)為葉片揮舞與擺振兩個(gè)方向的疲勞載荷。因此，進(jìn)行疲勞檢測(cè)時(shí)，只有在揮舞、擺振兩個(gè)方向同時(shí)施加疲勞載荷(即雙軸加載)，才能獲得比較準(zhǔn)確的疲勞性能，如圖3所示。然而，雙軸疲勞檢測(cè)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)環(huán)境要求很高，雙軸疲勞加載設(shè)備十分昂貴，由于葉片疲勞周期很長(zhǎng)，對(duì)設(shè)備的磨損程度及耗費(fèi)的動(dòng)力資源都十分嚴(yán)重，因此采用雙軸疲勞方法進(jìn)行葉片疲勞檢測(cè)，其經(jīng)濟(jì)性很差，目前國(guó)際上也只有極少數(shù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)具有雙軸檢測(cè)設(shè)備，出于成本上的原因，用其進(jìn)行疲勞檢測(cè)的使用頻率也非常低。與雙軸疲勞檢測(cè)相對(duì)照，單軸疲勞檢測(cè)具有設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求不高，檢測(cè)成本低廉的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外的葉片檢測(cè)機(jī)構(gòu)及葉片企業(yè)所采用的絕大多數(shù)疲勞檢測(cè)方式都為單軸疲勞檢測(cè)。但如前文所述，單軸疲勞檢測(cè)無(wú)法獲得葉片準(zhǔn)確的疲勞性能。本專利所提供方法，可通過(guò)對(duì)葉片單軸疲勞檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)修正，以達(dá)到模擬和評(píng)估葉片雙軸疲勞檢測(cè)結(jié)果的目的。該方法可利用現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外葉片檢測(cè)設(shè)施，采用比較經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)方法，獲得比較精準(zhǔn)的檢測(cè)效果，具有十分重要與現(xiàn)實(shí)的意義。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片單軸疲勞測(cè)試難以反映葉片實(shí)際損傷情況，而雙軸疲勞測(cè)試設(shè)備高昂、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差的特點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種對(duì)單軸疲勞檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，模擬出雙軸疲勞檢測(cè)結(jié)果的方法，依據(jù)該方法進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片檢測(cè)，可在保障檢測(cè)成本較低的前提下，提高對(duì)葉片實(shí)際疲勞損傷的評(píng)判精度。(二)技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種利用數(shù)值仿真分析結(jié)果對(duì)葉片單軸疲勞試驗(yàn)進(jìn)行修正，以獲得更為準(zhǔn)確的葉片疲勞性能參數(shù)的檢測(cè)修正方法，其特征在于，該方法包括以下步驟
1)采用現(xiàn)有通用的葉片單軸疲勞檢測(cè)方法，按先后順序分別對(duì)葉片揮舞與擺振方向施加疲勞載荷(Fl)與(F2)，進(jìn)行疲勞檢測(cè)，獲取其疲勞性能；
2)采用線性損傷累積理論，對(duì)1)中獲得的結(jié)果進(jìn)行處理，線性損傷累積理論認(rèn)為構(gòu)件在整個(gè)疲勞過(guò)程中，不同疲勞載荷作用下的損傷性能，可以進(jìn)行線性疊加，從而獲得構(gòu)件在全部載荷下的損傷性能，因此采用線性損傷累計(jì)理論進(jìn)行構(gòu)件損傷評(píng)估時(shí)，不需要考慮加載過(guò)程對(duì)疲勞損傷的影響。本發(fā)明基于線性損傷累積理論這一特點(diǎn)，對(duì)1)中(Fl)與(F2) 載荷作用下兩次試驗(yàn)中獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行線性疊加，得到葉片在揮舞與擺振方向載荷先后作用下的疲勞性能；
3)采用數(shù)值仿真方法，分別對(duì)葉片揮舞與擺振方向進(jìn)行單軸加載的數(shù)值仿真，計(jì)算葉片在揮舞與擺振方向的疲勞損傷，得到葉片在分別單獨(dú)進(jìn)行揮舞與擺振疲勞載荷加載后的葉片疲勞損傷數(shù)值仿真結(jié)果；
4)對(duì)步驟1)的葉片疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果和步驟3)的葉片疲勞損傷數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，對(duì)試驗(yàn)與計(jì)算中葉片的尺寸結(jié)構(gòu)、材料性能參數(shù)進(jìn)行分析，尋找影響數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確度的因素，進(jìn)而完善數(shù)值計(jì)算中的相關(guān)尺寸結(jié)構(gòu)、材料性能參數(shù)；
5)利用步驟4)中經(jīng)過(guò)完善的尺寸結(jié)構(gòu)、材料性能參數(shù)重新進(jìn)行步驟3)中的數(shù)值計(jì)算過(guò)程，以獲得良好的單軸加載數(shù)值仿真結(jié)果；
6)采用線性損傷累積方法，將步驟5)中兩次單軸加載所計(jì)算的葉片疲勞損傷數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行線性疊加；
7)同樣利用步驟4)中經(jīng)過(guò)完善的尺寸結(jié)構(gòu)、材料性能參數(shù)，采用數(shù)值仿真方法對(duì)葉片在揮舞與擺振方向同時(shí)加載疲勞載荷的情況進(jìn)行雙軸加載的數(shù)值仿真，計(jì)算葉片的疲勞損傷，獲得在該種情況下的葉片疲勞損傷數(shù)值仿真結(jié)果；
8)分析比較步驟6)的單軸疲勞加載數(shù)值仿真結(jié)果的線性疊加結(jié)果和步驟7)的雙軸疲勞加載數(shù)值仿真結(jié)果，建立二者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；
9)將步驟8)中所建立的數(shù)學(xué)關(guān)系，引入到步驟2、中，對(duì)步驟2)中獲得的葉片在揮舞與擺振方向疲勞載荷先后作用下的疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，得到模擬葉片同時(shí)施加揮舞與擺振方向疲勞載荷(F1、F2)情況下葉片的雙軸疲勞損傷結(jié)果。優(yōu)選的，采用該方法進(jìn)行葉片疲勞壽命分析，其前提在于分別對(duì)葉片揮舞與擺振方向進(jìn)行單軸疲勞檢測(cè)，獲取各自方向疲勞加載下的疲勞性能。優(yōu)選的，需采用線性損傷累積理論，對(duì)單軸疲勞檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理，獲得在兩種載荷先后作用下的葉片疲勞性能；
優(yōu)選的，采用數(shù)值仿真手段建立葉片在單軸疲勞加載與雙軸疲勞加載情況下疲勞性能的數(shù)學(xué)關(guān)系。優(yōu)選的，通過(guò)進(jìn)行檢測(cè)與計(jì)算的相關(guān)性分析，用以完善數(shù)值仿真過(guò)程及結(jié)果；
優(yōu)選的，將數(shù)值仿真所獲得的葉片單軸疲勞加載與雙軸疲勞加載情況下疲勞性能的數(shù)學(xué)關(guān)系，應(yīng)用于對(duì)葉片單軸疲勞檢測(cè)結(jié)果的修正；模擬出葉片雙軸疲勞檢測(cè)的結(jié)果。優(yōu)選的，為了使計(jì)算結(jié)果更為精確，采用有限元數(shù)值技術(shù)進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)的疲勞數(shù)值仿真。優(yōu)選的，為了準(zhǔn)確反應(yīng)大型葉片在疲勞載荷作用下的壽命情況，在數(shù)值仿真分析中，采用了非線性分析方法。(三)有益效果
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下明顯的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
1)與現(xiàn)有單軸疲勞檢測(cè)方法對(duì)葉片性能的評(píng)估相比，采用該方法可保證性能評(píng)估更準(zhǔn)確。2)與雙軸疲勞檢測(cè)技術(shù)相比，采用該方法對(duì)檢測(cè)設(shè)備與環(huán)境的要求較低，能滿足當(dāng)前大多數(shù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)和葉片企業(yè)的條件要求，且檢測(cè)成本相對(duì)雙軸檢測(cè)大大降低。


圖1為葉片揮舞方向單軸疲勞檢測(cè)的加載示意圖； 圖2為葉片擺振方向單軸疲勞檢測(cè)的加載示意圖3為葉片雙軸疲勞檢測(cè)的加載示意圖。其中，1.葉片，2.試驗(yàn)夾具，F(xiàn)l.葉片揮舞方向施加的疲勞載荷， F2.葉片擺振方向施加的疲勞載荷。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例中，以當(dāng)前主流的MW級(jí)風(fēng)力機(jī)葉片為例，采用以下步驟進(jìn)行檢測(cè)和結(jié)果修正
1)如圖1、圖2所示，采用現(xiàn)有通用的葉片單軸疲勞檢測(cè)方法，分別對(duì)葉片揮舞與擺振方向施加疲勞載荷(Fl)與(F2)，進(jìn)行疲勞檢測(cè)，獲取兩種情況下的疲勞性能；
2)采用線性損傷累積理論，對(duì)1)中獲得的結(jié)果進(jìn)行處理，獲得葉片在上述兩種載荷先后作用下的疲勞性能；
3)采用數(shù)值仿真方法分別對(duì)葉片揮舞與擺振方向(即單軸加載)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，分別獲取兩種載荷各自作用下的葉片疲勞損傷數(shù)值仿真結(jié)果；
4)對(duì)步驟1)、3)進(jìn)行檢測(cè)與計(jì)算的相關(guān)性分析，完善計(jì)算中的相關(guān)材料、結(jié)構(gòu)性能等參數(shù)，進(jìn)而對(duì)步驟3)的計(jì)算過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行完善；并采用線性損傷累計(jì)理論，獲取在兩種載荷先后作用下的葉片疲勞損傷數(shù)值仿真結(jié)果；
5)利用步驟4)中經(jīng)過(guò)完善的葉片材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用數(shù)值仿真方法對(duì)葉片在揮舞與擺振方向同時(shí)共同加載情況(即雙軸加載)進(jìn)行疲勞壽命分析，獲得在該種情況下的葉片疲勞性能(如圖3所示)；
6)分析比較4)、5)兩種疲勞損傷計(jì)算方法所獲得的結(jié)果，建立葉片采用單軸加載的線性損傷累積計(jì)算方法與雙軸加載計(jì)算方法性能結(jié)果的數(shù)學(xué)關(guān)系，在本實(shí)例中，所建立的數(shù)學(xué)關(guān)系為兩種計(jì)算方法所獲得的葉片損傷及壽命計(jì)算結(jié)果的數(shù)值比例；7)將6)中所建立的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)2)中的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，即將6)中得到的數(shù)值比例，去乘以2)中經(jīng)過(guò)線性累積后得到的疲勞檢測(cè)損傷與壽命結(jié)果，得到模擬葉片同時(shí)施加揮舞與擺振方向疲勞載荷(雙軸加載)情況下葉片的雙軸疲勞性能。通過(guò)以上步驟實(shí)施，利用目前普遍使用的風(fēng)力機(jī)單軸疲勞測(cè)試設(shè)備，結(jié)合數(shù)值仿真計(jì)算，獲得了可以描述葉片雙軸疲勞的性能參數(shù)。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的疲勞檢測(cè)結(jié)果修正方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟1)采用現(xiàn)有通用的葉片單軸疲勞檢測(cè)方法，分別對(duì)葉片揮舞與擺振方向施加疲勞載荷 (F1、F2)，進(jìn)行單軸加載的疲勞檢測(cè)，獲取兩種疲勞載荷下的葉片疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果；2)采用線性損傷累積方法，對(duì)步驟1)中獲得的葉片疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，將揮舞與擺振方向疲勞載荷(Fl、F2)分別作用下的疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性疊加，獲得葉片在揮舞與擺振方向疲勞載荷按先后順序作用下的疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果；3)采用數(shù)值仿真方法，分別對(duì)葉片揮舞與擺振方向進(jìn)行單軸加載的數(shù)值仿真，計(jì)算葉片在揮舞與擺振方向的疲勞損傷，得到葉片在分別單獨(dú)進(jìn)行揮舞與擺振疲勞載荷加載后的葉片疲勞損傷數(shù)值仿真結(jié)果；4)對(duì)步驟1)的葉片疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果和步驟3)的葉片疲勞損傷數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，對(duì)試驗(yàn)與計(jì)算中葉片的尺寸結(jié)構(gòu)、材料性能參數(shù)進(jìn)行分析，尋找影響數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確度的因素，進(jìn)而完善數(shù)值計(jì)算中的相關(guān)尺寸結(jié)構(gòu)、材料性能參數(shù)；5)利用步驟4)中經(jīng)過(guò)完善的尺寸結(jié)構(gòu)、材料性能參數(shù)重新進(jìn)行步驟3)中的數(shù)值計(jì)算過(guò)程，以獲得良好的單軸加載數(shù)值仿真結(jié)果；6)采用線性損傷累積方法，將步驟5)中兩次單軸加載所計(jì)算的葉片疲勞損傷數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行線性疊加，獲得在揮舞、擺振兩種方向載荷先后作用情況下葉片的疲勞損傷數(shù)值仿真結(jié)果；7)同樣利用步驟4)中經(jīng)過(guò)完善的尺寸結(jié)構(gòu)、材料性能參數(shù)，采用數(shù)值仿真方法對(duì)葉片在揮舞與擺振方向同時(shí)加載疲勞載荷的情況進(jìn)行雙軸加載的數(shù)值仿真，計(jì)算葉片的疲勞損傷，獲得在該種情況下的葉片疲勞損傷數(shù)值仿真結(jié)果；8)分析比較步驟6)的單軸疲勞加載數(shù)值仿真的線性累積結(jié)果和步驟7)的雙軸疲勞加載數(shù)值仿真結(jié)果，建立二者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；9)將步驟8)中所建立的數(shù)學(xué)關(guān)系，引入到步驟2、中，對(duì)步驟2)中獲得的葉片在揮舞與擺振方向疲勞載荷按先后順序作用下的疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，得到模擬葉片同時(shí)施加揮舞與擺振方向疲勞載荷(F1、F2)情況下葉片的雙軸疲勞損傷結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用該方法進(jìn)行葉片疲勞壽命的分析與評(píng)估，其前提在于分別對(duì)葉片揮舞與擺振方向進(jìn)行單軸疲勞檢測(cè)，獲取各自方向疲勞加載下的疲勞性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，需采用線性損傷累積方法對(duì)單軸疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，獲得葉片在揮舞與擺振方向載荷按先后順序作用下的疲勞性能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述數(shù)值仿真方法為有限元數(shù)值分析方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了準(zhǔn)確反應(yīng)葉片在疲勞載荷作用下的壽命情況，在數(shù)值仿真分析中，采用了非線性分析方法。
全文摘要
一種水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的疲勞壽命檢測(cè)結(jié)果的修正方法，采用線性損傷累積理論，對(duì)現(xiàn)有通用的單軸疲勞檢測(cè)得到的結(jié)果進(jìn)行處理，獲得葉片在揮舞與擺振方向載荷共同作用下的疲勞性能；采用數(shù)值仿真方法分別計(jì)算兩個(gè)單軸的疲勞壽命并對(duì)兩計(jì)算結(jié)果進(jìn)行損傷累積；采用數(shù)值方法雙軸同時(shí)加載進(jìn)行計(jì)算，獲得該情況下疲勞性能；分析比較單軸、雙軸同時(shí)加載兩種疲勞損傷計(jì)算所獲得的疲勞參數(shù)，建立單軸加載、損傷累積計(jì)算與雙軸加載計(jì)算結(jié)果的數(shù)學(xué)關(guān)系，將該數(shù)學(xué)關(guān)系，引入到葉片單軸疲勞試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，得到雙軸疲勞性能。通過(guò)以上修正達(dá)到采用低成本的單軸疲勞檢測(cè)手段，獲得更為準(zhǔn)確的葉片疲勞性能的目的。
文檔編號(hào)G01M13/00GK102410928SQ201110328210
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者徐建中, 石可重, 趙曉路 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所