專利名稱：一種水平軸風力機葉片疲勞損傷與壽命評估方法
技術領域：
本發明涉及機械行業風力發電技術領域，尤其涉及一種水平軸風力機葉片的疲勞損傷與壽命評估方法。
背景技術：
風電葉片疲勞損傷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。風電機組在非定常載荷作用下的運行特性使其易發生疲勞破壞，嚴重影響風電機組安全運行的可靠性和使用壽命。 而惡劣的工作環境，特殊的材料性質，以及結構與工藝所帶來的種種問題，給葉片壽命評估帶來相當大的難度。風電葉片疲勞研究涵蓋了環境，載荷，結構，材料等多方面的內容，涉及空氣動力學、結構動力學、氣動彈性理論、疲勞理論、復合材料等許多學科。導致疲勞破壞的不確定因素很多，疲勞性能很難單純依賴計算得到，由于風電葉片結構及運行情況的特殊性，其它行業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性能評估中來。進行全尺寸葉片的疲勞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。通過測試，可以將測量數據與設計的數據進行比較，以掌握葉片的疲勞性能。并且可以利用測試的結果改進與優化結構設計。然而，目前所開展的葉片疲勞檢測方法大都周期很長，成本很高，而且大都采用等效載荷和加速試驗的辦法以檢測時間，這些辦法等都可能導致實驗結果的偏差。同樣由于縮短檢測周期的原因，目前大都是檢測在一定設計周期內(即一定的疲勞載荷周期范圍內)葉片是否發生疲勞損傷為目的，而不是以檢測葉片發生損傷的實際壽命為目的，因此， 檢測結果只是反應葉片在設計周期內是否能不發生疲勞破壞，而不能反映出葉片的實際壽命情況。因此可以說，目前所開展的疲勞檢測大都具有檢測周期長、檢測成本高、難以獲得葉片實際壽命情況等缺點。
發明內容
針對現有檢測技術手段的以上問題，本專利提出一種新的葉片疲勞性能測試評估方法，可通過靜態測試獲得葉片的強度分布，并結合材料性能曲線與損傷累積理論，評估葉片的疲勞性能。該方法具有周期短、成本低、可以獲得葉片最終壽命參數等優點。此外，該方法評估中需要依據材料疲勞性能曲線，而目前現有通用的葉片檢測方法在進行等效載荷處理和加速試驗時,也必須依據材料性能曲線，因此,本方法中由于材料性能曲線方面可能導致的分析誤差方面，與現有通用方法相比，也并無遜色。該方法可利用現有國內外葉片靜態檢測設施開展測試，因此在設備投資上也是比較經濟的，采用靜態測試進行疲勞性能評估，是由于風電機組葉輪轉速較低，各項疲勞載荷的周期變化頻率也較低，采用靜態測試獲得的應力/應變幅值與實際運行情況比較符合。(一 )要解決的技術問題
針對目前風力機葉片疲勞測試檢測周期長、檢測成本高、難以獲得葉片實際壽命情況等缺點，本發明提出了一種依據疲勞載荷譜，開展靜態測試獲得葉片在各疲勞載荷作用下的應力/應變周期變化的幅值分布情況，并結合材料性能曲線與損傷累積理論，評估葉片的疲勞性能的方法。可實現周期短、成本低、能夠獲得葉片實際壽命等優點。( 二 )技術方案根據本發明的一個方面，提供了一種風力機葉片疲勞性能評估方法，其特征在于， 該方法包括以下步驟I)依據所將評估葉片的疲勞載荷譜，確定評估分析所應包含的各項疲勞載荷的載荷幅值與均值；2)將葉片固定在葉片實驗臺架上，在葉片表面及內部設置應變片(或其它類型的應力/應變傳感器)，傳感器的數量與布置位置取決于具體葉片，其要求是盡可能地覆蓋葉片的疲勞危險發生位置；3)依據I)中所確定的各項疲勞載荷，選取每一疲勞載荷周期變化的最大值與最小值，對葉片進行兩次靜態加載實驗，實驗設施可利用現有通用的葉片靜態檢測的實驗設施，采用應力/應變測量設備測量得到兩次實驗中葉片測點處的應力/應變值，即獲得該疲勞載荷作用下，葉片應力/應變周期變化的幅值與均值分布情況；4)通過重復3)中的過程，獲得I)中載荷譜中各疲勞載荷作用下，葉片應力/應變周期變化的幅值與均值分布情況；5)根據4)中各疲勞載荷作用下的葉片應力/應變周期變化的幅值與均值分布情況。并結合材料的疲勞性能曲線(該性能曲線可來自材料疲勞試驗，也可來自已有材料數據庫)，獲得葉片在該疲勞載荷作用下，最危險處的壽命及損傷。考慮到目前葉片材料性能曲線大都為應力-壽命曲線，因此可據此性能曲線進行評估，但也不排除采用其它疲勞性能曲線，如應變-壽命曲線；6)根據載荷譜中各載荷在葉片生命周期中所占的比例，以及5)中所獲得的各載荷下的損傷值，采用適合的損傷累積方法進行葉片損傷累積計算，最終獲得葉片在整個生命周期中的疲勞壽命及損傷數據。考慮到目前葉片設計與分析中，大都采用線性損傷累積方法，因此可用該理論進行葉片疲勞損傷的線性疊加評估，但也不排除采用其它損傷累積理論與方法，如非線性損傷累積方法；7)依據以上步驟的檢測與分析，實現了對葉片疲勞性能的評估。優選的，采用該方法進行葉片疲勞壽命評估，其前提在于具備相應葉片的疲勞載荷譜和材料疲勞性能曲線，因此確定合適的疲勞載荷譜和材料疲勞性能曲線是保證評估準確性的前提。優選的，采用該方法可對載荷譜中的多項疲勞載荷作用下的葉片應力/應變幅值周期變化情況進行測試。優選的，采用該方法只需采用靜態加載方式進行葉片應力/應變幅值周期變化情況的測試，可大大提高檢測效率。優選的，采用該方法需采用疲勞損傷累積理論，對不同載荷作用下的疲勞損傷進行累積分析。(三)有益效果
本發明與現有技術相比，具有如下明顯的實質特點和顯著優點I)與現有對葉片疲勞性能進行評估的檢測方法相比，該方法采用靜態加載試驗結果評估葉片疲勞性能，可實現周期短、成本低、能夠獲得葉片實際壽命等優點。而由于風電機組葉輪轉速較低，各項疲勞載荷的周期變化頻率也較低，采用靜態測試獲得的應力/應變幅值與實際運行情況比較符合。因此，該方法在提高效率的同時，也保證了檢測精度。此外，同樣由于該方法采用靜態加載，而不像現有通用的疲勞檢測方法那樣需要進行加速試驗，因此避免了進行加速試驗可能帶來的分析誤差。2)該方法可利用現有國內外葉片靜態檢測設施，因此在設備投資上也是比較經濟的。
圖I為葉片揮舞方向的靜態加載示意圖；圖2為葉片擺振方向的靜態加載示意圖；其中，I.葉片，2.試驗夾具，Fl.葉片揮舞方向施加的靜態載荷，F2.葉片擺振方向施加的靜態載荷
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。本實施例中，以當前主流的MW級風力機葉片為例，采用以下步驟進行檢測和結果修正I)依據設計部門所提供的該葉片疲勞載荷譜，確定評估分析所應包含的各項疲勞載荷的載荷幅值與均值，本實例中選取疲勞載荷譜中起主要影響作用的7個載荷項進行后續評估；2)將該葉片固定在葉片實驗臺架上，在葉片表面及內部設置應變片，本實例中傳感器的數量為50片，布置位置盡可能地覆蓋葉片的疲勞危險發生位置(疲勞危險發生位置根據葉片設計得到)；3)依據I)中所確定的各項疲勞載荷，選取每一疲勞載荷在周期變化中的最大值與最小值，對葉片進行兩次靜態加載實驗，實驗設施利用現有的葉片靜態檢測的實驗設備， 圖I、圖2所示，分別為根據載荷方向而在葉片揮舞方向與擺振方向的加載示意圖。采用應變傳感器測量得到實驗中葉片各測點處的應變值，經過兩次測試，即獲得該疲勞載荷作用下，葉片各測點處應變周期變化的幅值與均值，將應變值乘以葉片各處材料的彈性模量，即得到應力值；4)通過重復3)中的過程，獲得I)中載荷譜中各疲勞載荷作用下，葉片應力/應變周期變化的幅值與均值分布情況；5)根據4)中各疲勞載荷作用下的葉片應力/應變周期變化的幅值與均值分布情況。并結合材料疲勞性能的應力-壽命曲線，(該性能曲線可來自材料疲勞試驗，也可來自已有材料數據庫)，獲得葉片在該疲勞載荷作用下，最危險處的壽命及損傷；6)根據載荷譜中各載荷在葉片生命周期中所占的比例，以及5)中所獲得的各載荷下的損傷值，采用線性損傷累積方法進行葉片損傷累積計算，最終獲得葉片在整個生命周期中的疲勞損傷以及葉片最終壽命等數據；通過以上步驟的實施，完成了對該葉片疲勞性能的評估。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明。所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種水平軸風力機葉片疲勞損傷與壽命評估方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟.1)依據所將評估葉片的疲勞載荷譜，確定評估分析所應包含的各項疲勞載荷的載荷幅值與均值；.2)將葉片固定在葉片實驗臺架上，在葉片表面及內部設置應力/應變測量設備，應力/ 應變測量設備盡可能地覆蓋葉片的疲勞危險發生位置；.3)依據步驟I)中所確定的各項疲勞載荷，選取每一疲勞載荷周期變化的最大值與最小值，對葉片進行兩次靜態加載實驗，采用應力/應變測量設備測量得到兩次靜態加載實驗中葉片各測點處的應力/應變值，獲得每一疲勞載荷作用下葉片應力/應變周期變化的幅值與均值分布情況；.4)根據步驟3)中測得的各疲勞載荷作用下的葉片應力/應變周期變化的幅值與均值分布情況，并結合葉片材料的疲勞性能曲線，獲得葉片在各疲勞載荷作用下，最危險處的壽命及損傷值；.5)根據載荷譜中各載荷在葉片生命周期中所占的比例，以及步驟4)中所獲得的各載荷下的壽命及損傷值，采用損傷累積方法進行葉片損傷累積計算，最終獲得葉片在整個生命周期中的疲勞壽命及損傷數據。
2.根據權利要求I所述的水平軸風力機葉片疲勞損傷與壽命評估方法，其特征在于， 采用該疲勞壽命評估方法進行葉片疲勞壽命評估，其前提在于有相應葉片的疲勞載荷譜和材料性能曲線。
3.根據權利要求I所述的水平軸風力機葉片疲勞損傷與壽命評估方法，其特征在于， 安裝在葉片表面及內部的應力/應變測量設備的傳感器數量與布置位置取決于具體葉片， 其要求是盡可能地覆蓋葉片的疲勞危險發生位置。
4.根據權利要求I至3任一項所述的水平軸風力機葉片疲勞損傷與壽命評估方法， 其特征在于，上述步驟3)中，可利用現有通用的葉片靜態檢測設施對葉片進行靜態加載實驗。
5.根據上述任一項權利要求所述的水平軸風力機葉片疲勞損傷與壽命評估方法，其特征在于，上述步驟4)中，葉片材料的疲勞性能曲線來自材料的疲勞試驗數據或已有的材料數據庫。
全文摘要
本發明公開了一種水平軸風力機葉片的疲勞壽命評估方法，其目的在于通過采用低成本、高效率的試驗檢測與計算分析手段，獲得比較精確的葉片疲勞性能參數，滿足葉片設計研發與檢測的需求。該方法特點在于，基于水平軸風力機葉輪轉速較低，各項疲勞載荷的周期變化頻率也較低這一特點，采用對風力機葉片進行靜態加載測試，獲得葉片在各疲勞載荷作用下的應力/應變幅值分布情況，并結合材料性能曲線與損傷累積理論進行分析等一系列步驟，實現對葉片疲勞性能的評估。與現有的水平軸風力機葉片疲勞測試技術相比，該方法具有周期短、成本低、可以獲得葉片最終壽命參數等優點。
文檔編號G01M13/00GK102607831SQ20121004670
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月25日 優先權日2012年2月25日
發明者徐建中, 石可重, 趙曉路 申請人:中國科學院工程熱物理研究所