本發(fā)明專利技術公開了一種水平軸風力機葉片縮比模型的疲勞測試方法，其目的在于通過采用低成本、高效率的縮比模型試驗檢測與計算分析手段，替代全尺寸葉片疲勞測試試驗。該方法特點在于，采用尺寸等比例縮小的葉片模型疲勞試驗替代傳統(tǒng)的全尺寸葉片疲勞測試，并依據(jù)縮比模型與原型葉片滿足結構等壽命這一要求，用以確定縮比模型的試驗載荷。該測試方法既可采用行業(yè)現(xiàn)有使用的葉片疲勞測試設備，也可采用低成本的小型試驗裝置和設備，進行疲勞測試。通過準確的設計與分析，可保證縮比模型與全尺寸葉片有著比較準確的結構尺寸對應關系與載荷對應關系，因此可保證測試結果的準確性。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及機械行業(yè)風力發(fā)電
，尤其涉及一種水平軸風力機葉片在疲勞載荷作用下結構性能的測試評估方法。
技術介紹
風電葉片在疲勞載荷作用下發(fā)生損傷破壞問題是風電葉片設計、制造、運行中所關注的一項重要內容。在風電葉片設計中，一般都要求風電葉片能滿足20年的使用壽命。在如此長的服役期間和惡劣的工作環(huán)境下，風電機組經常要在多種疲勞載荷作用下運行，嚴重影響了風電機組安全運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，以及結構與工藝所帶來的種種問題，給葉片疲勞載荷下性能評估帶來相當大的難度。由于風電葉片結構及運行情況的特殊性，其它行業(yè)已建立的工程實踐經驗和知識不能有效的應用到風電機組葉片的疲勞性能評估中來。進行葉片在疲勞載荷作用下的損傷與壽命測試可以提供對設計的可靠確認。對于新設計、新工藝、新材料的風電葉片，疲勞測試是保證葉片質量關鍵的一環(huán)。通過測試，可以將測量數(shù)據(jù)與設計的數(shù)據(jù)進行比較，以掌握葉片的結構性能。并且可以利用測試的結果改進與優(yōu)化結構設計。然而，目前所開展的葉片疲勞測試方法大都為全尺寸葉片測試，試驗葉片的制作與試驗周期很長，而且大都采用大型試驗設備進行，成本很高。降低葉片測試成本，縮短測試周期，對于葉片行業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。
技術實現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有葉片疲勞測試的以上問題，本專利提出一種新的葉片疲勞性能測試評估方法，即利用葉片縮比模型的疲勞測試，來代替全尺寸葉片疲勞測試。該方法具有周期短、成本低等優(yōu)點。此外，本方法中縮比模型試驗所需的設備與實驗步驟，與現(xiàn)有全尺寸葉片疲勞測試方法相似。該方法即可利用現(xiàn)有國內外已有的葉片疲勞檢測設施開展測試，也可采用規(guī)模形式較小的試驗設備開展，因此在設備投資上也是比較經濟的。(一)要解決的技術問題針對目前風力機葉片疲勞測試測試周期長、成本高等缺點，本專利技術提出了一種縮比模型疲勞測試方法，通過對縮比模型結構與試驗載荷準確的設計與分析，可保證縮比模型測試具有比較準確的測試結果。采用該方法進行疲勞測試，可實現(xiàn)周期短、成本低、能夠獲得比較準確的葉片疲勞加載情況下結構性能數(shù)據(jù)等優(yōu)點。(二)技術方案根據(jù)本專利技術的一個方面，提供了一種利用縮比模型試驗替代全尺寸風力機葉片疲勞測試的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:I)依據(jù)所要測試評估的原型葉片結構特征，設計并制作一個結構尺寸等比例縮小的葉片，并以該葉片作為試驗葉片；2)依據(jù)等壽命原則，(即縮尺寸模型葉片與原型葉片在各自的試驗載荷作用下，應保持相同的結構疲勞損傷與壽命分布情況)，將原型葉片的試驗載荷轉化為縮尺寸模型葉片的試驗載荷。其機理與方法如下:為了實現(xiàn)用縮比模型試驗替代全尺寸葉片疲勞測試，首先要確定兩個試驗的相似準則。由于疲勞試驗的核心目標是研究葉片在一定時間周期內疲勞載荷作用下，葉片疲勞損壞情況。因此，疲勞試驗的要求是要能夠實現(xiàn)對一定周期內的疲勞載荷作用下，葉片結構的疲勞損傷分布情況進行準確描述。根據(jù)這一要求，在本專利技術中，縮比模型試驗載荷確定的原則為，縮比模型與原型葉片在相同的疲勞周期內，在各自試驗載荷作用下，應保持相同的疲勞損傷分布，由于結構疲勞損傷與結構壽命具有確定的關系，即縮比模型與原型葉片在各自試驗載荷作用下具有相同的壽命分布。由于結構的壽命與疲勞損傷取決于結構的疲勞應力情況與材料的疲勞性能指標，縮比模型與原型葉片具有相同的材料分布，即具有相同的材料疲勞性能指標，因此二者結構壽命的差別，取決于結構的疲勞應力情況。當二者具有相同的疲勞應力分布時，即具有相同的壽命。因此，上述縮比模型試驗載荷確定所依據(jù)的等壽命原則即可轉換為等疲勞應力原則。然而，要實現(xiàn)這一目標，首要解決的是外部疲勞載荷與葉片疲勞應力分布關系的建立問題。由于風電葉片是由外部殼體與內部大梁組成的復合材料結構體，沿葉片展向，夕卜部殼體的形狀、尺寸與鋪層結構都在發(fā)生變化，而內部大梁的結構形狀、尺寸與鋪層結構也都隨之發(fā)生變化。這種復雜的結構形式，難以采用解析方法建立載荷與葉片應力分布的數(shù)學關系。這也成為實現(xiàn)縮比模型試驗替代全尺寸葉片測試的難點。本專利技術則提出利用數(shù)值分析的方法，確定縮比模型試驗的疲勞載荷。其方法如下:(a)采用有限元方法，分別建立全尺寸葉片與縮比模型的有限元模型；(b)對兩個模型分別定義一致的邊界條件。例如，由于開展臺架疲勞試驗時，葉片的結構邊界條件只包括葉根處的約束，因此有限元模型也只需定義葉根約束即可。(c)考慮到葉片疲勞載荷的頻率較低，因此可采用準靜態(tài)計算方法進行結構疲勞應力的計算分析。即根據(jù)設計部門所提供的全尺寸葉片測試載荷(一般為沿葉片展向布置的幾處集中疲勞載荷，包括疲勞載荷幅值范圍的上限值與下限值)，取兩次計算，分別將疲勞載荷幅值范圍的上限值與下限值作為計算載荷施加到相應位置，計算在該疲勞載荷上限值與下限值作用下葉片結構的應力分布情況。(d)將(C)中全尺寸葉片各加載點處的疲勞載荷上限值，按照一個相同的比例縮小，(例如按照縮比模型與原型葉片的尺寸縮小比例值)，并將縮小后的載荷施加到縮比模型的有限元模型上，采取與(C)中一致的計算方法，計算在該載荷作用下葉片結構應力分布情況。(e)分別在全尺寸葉片和縮比模型的對應位置選取若干位置點，作為應力對比點，選取的原則為，利用這些點處的強度計算結果，可以較好反映或識別葉片的損傷情況。(f)比較全尺寸葉片和縮比模型對比點處的應力情況，如應力不一致，可調整縮比模型的載荷，(調整時須保證縮比模型上各點處的載荷按照相同比例，同步地增減)。(g)經過若干次調整計算，可以找到實現(xiàn)對比點處應力一致(或近似)的縮比模型施加載荷，以該載荷作為縮比模型疲勞試驗的試驗疲勞載荷上限值。(h)將(C)中全尺寸葉片各加載點處的疲勞載荷下限值，按照上述(d)- (g)步驟處理，得到縮比模型疲勞試驗的試驗疲勞載荷下限值。3)完成以上步驟后，即可進行縮尺寸模型葉片的疲勞測試。包括將葉片固定在試驗臺架上，進行疲勞加載，測量等步驟。所采用的加載裝置與試驗過程可與現(xiàn)有通用的葉片疲勞測試方法相同或類似，這里不再表述；4)根據(jù)縮比模型疲勞測試的結果，可實現(xiàn)對原型葉片的結構性能進行評估。根據(jù)2)中所述，由于縮比模型試驗所獲得損傷與壽命測量結果，可以用來描述全尺寸葉片的損傷與壽命分布情況，因此根據(jù)該模型試驗的損傷測量結果對原型葉片損傷的具體情況可進行判斷。該評估過程與現(xiàn)有通用的葉片疲勞試驗結果評估方法相同或類似，這里不再表述；優(yōu)選的，采用該方法進行葉片疲勞測試，其前提在于依據(jù)原型葉片設計并制作等比例縮小的試驗葉片。優(yōu)選的，采用該方法進行葉片疲勞性能評估，應依據(jù)等壽命原則，采用有限元數(shù)值模擬方法，對原型葉片與縮比模型進行準確的疲勞應力計算，用以確定縮比模型的試驗載荷。優(yōu)選的，采用該方法進行葉片疲勞性能評估，試驗步驟及試驗裝置可利用現(xiàn)有通用的葉片疲勞測試步驟。(三)有益效果本專利技術與現(xiàn)有技術相比，具有如下明顯的實質特點和顯著優(yōu)點:I)與現(xiàn)有采用全尺寸葉片進行載荷作用下結構性能測試評估相比，該方法采用縮比模型進行疲勞載荷作用下性能測試評估，可實現(xiàn)周期短、成本低、能夠比較準確獲得葉片疲勞結構性能等優(yōu)點。2)該方法可利用現(xiàn)有國內外葉片疲勞檢測設施，或更小型的試驗設備，因此在設備投資上也是比較經濟的。具體實施例方式為使本專利技術的目的、技術方案和優(yōu)點更本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
一種水平軸風力機葉片的疲勞測試方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：1）依據(jù)所要測試評估的原型全尺寸葉片結構特征，設計并制作一個材料相同而結構尺寸等比例縮小的縮尺寸模型葉片，并以該縮尺寸模型葉片作為試驗葉片；2）依據(jù)等壽命原則，（即縮尺寸模型葉片與原型全尺寸葉片在各自的試驗載荷作用下，應保持相同的結構疲勞損傷與壽命分布情況），將原型全尺寸葉片的試驗載荷轉化為縮尺寸模型葉片的試驗載荷，具體步驟如下：（a）采用有限元數(shù)值模擬方法，分別建立原型全尺寸葉片與縮尺寸模型葉片的有限元模型；（b）對上述兩個有限元模型分別定義一致的邊界條件；（c）根據(jù)設計部門所提供的原型全尺寸葉片疲勞載荷，取兩次計算，分別將疲勞載荷幅值范圍的上限值與下限值作為計算載荷施加到原型全尺寸葉片有限元模型上，分別計算在該疲勞載荷上限值與下限值作用下原型全尺寸葉片結構的應力分布情況；（d）將步驟（c）中原型全尺寸葉片各加載點處的疲勞載荷上限值，按照一個相同的比例縮小，并將縮小后的載荷施加到縮尺寸模型葉片的有限元模型上，采取與步驟（c）中一致的計算方法，計算在該載荷作用下縮尺寸模型葉片的結構應力分布情況；（e）分別在原型全尺寸葉片和縮尺寸模型葉片的對應位置選取若干位置點，作為應力對比點;（f）比較原型全尺寸葉片和縮尺寸模型葉片在上述應力對比點處的應力分布情況，如應力分布不一致，則調整施加到縮尺寸模型葉片有限元模型上的載荷；（g）經過若干次調整計算，找到實現(xiàn)原型全尺寸葉片和縮尺寸模型葉片在應力對比點處應力分布一致或近似一致的縮尺寸模型葉片施加載荷，以該載荷作為縮尺寸模型葉片疲勞試驗的試驗疲勞載荷上限值；（h）將步驟（c）中原型全尺寸葉片各加載點處的疲勞載荷下限值，按照上述（d）?（g）步驟相同的方式處理，得到縮尺寸模型葉片疲勞試驗的試驗疲勞載荷下限值；3）按照步驟2）所確定的施加到縮尺寸模型葉片的試驗疲勞載荷，對縮尺寸模型葉片進行疲勞試驗；4）根據(jù)步驟3）縮尺寸模型葉片疲勞測試的結果，實現(xiàn)對原型葉片的結構性能進行評估。...
【技術特征摘要】
1.一種水平軸風力機葉片的疲勞測試方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 1)依據(jù)所要測試評估的原型全尺寸葉片結構特征，設計并制作一個材料相同而結構尺寸等比例縮小的縮尺寸模型葉片，并以該縮尺寸模型葉片作為試驗葉片； 2)依據(jù)等壽命原則，(即縮尺寸模型葉片與原型全尺寸葉片在各自的試驗載荷作用下，應保持相同的結構疲勞損傷與壽命分布情況)，將原型全尺寸葉片的試驗載荷轉化為縮尺寸模型葉片的試驗載荷，具體步驟如下: (a)采用有限元數(shù)值模擬方法，分別建立原型全尺寸葉片與縮尺寸模型葉片的有限元模型； (b)對上述兩個有限元模型分別定義一致的邊界條件； (c)根據(jù)設計部門所提供的原型全尺寸葉片疲勞載荷，取兩次計算，分別將疲勞載荷幅值范圍的上限值與下限值作為計算載荷施加到原型全尺寸葉片有限元模型上，分別計算在該疲勞載荷上限值與下限值作用下原型全尺寸葉片結構的應力分布情況； (d)將步驟(c)中原型全尺寸葉片各加載點處的疲勞載荷上限值，按照一個相同的比例縮小，并將縮小后的載荷施加到縮尺寸模型葉片的有限元模型上，采取與步驟(c)中一致的計算方法，計算在該載荷作用下縮尺寸模型葉片的結構應力分布情況； (e)分別在原型全尺寸葉片和縮尺寸模型葉片的對應位置選取若干位置點，作為應力對比點； Cf)比較原型全尺寸葉片和縮尺寸模型葉片在上述應力對比點處的應力分布情況，如應力分布不一致，則調整施加到縮尺寸模型葉片有限元模型上的載荷； (g)經過若干次調整計算，找到實現(xiàn)原型全尺寸葉片和縮尺寸模型葉片在應力對比點處應力分布一致或近似一致的縮尺寸模型葉片施加載荷，以該載荷作為縮尺寸模型葉片疲勞試驗的試驗疲勞載荷...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：石可重，趙曉路，
申請(專利權)人：中國科學院工程熱物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。