多环境应力影响下海上风机叶片粘接疲劳可靠性分析与评估

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随着陆上风电的日渐饱和,海上风电迅速发展。作为海上风电机组的主要承载部件之一,海上风机叶片(Offshore Wind Turbine Blades,OWTBs)的性能和可靠性对确保整个系统的安全运行十分关键。然而,在海洋热梯度、高湿度、强盐雾等环境应力作用下,海上风机叶片粘接结构抗疲劳性能严重下降,易诱发界面失效、粘接开裂和粘接老化等疲劳失效问题,严重威胁海上风机叶片服役安全性和可靠性。因此,分析和评估多环境应力影响下海上风机叶片粘接疲劳性能对提高叶片疲劳寿命及保障叶片安全高效运行尤为重要。本文以海上风机实际服役环境为背景,以风机叶片复合材料层合板粘接结构为研究对象,基于风机叶片粘接结构“多环境加速老化试验”-“疲劳退化仿真”-“疲劳可靠性建模与分析”递进式研究思路进行多环境应力影响下的海上风机叶片粘接疲劳可靠性研究,为叶片服役寿命预测及结构优化设计提供理论依据。论文主要研究内容包括以下方面:(1)多环境应力影响下的OWTBs粘接结构疲劳特性及失效机理研究。通过开展海上风机叶片粘接试样在多环境应力影响下的老化加速试验和疲劳试验,以疲劳寿命为粘接性能参数指标,采用正交实验法研究了粘接试样在单环境应力和多环境应力耦合作用下的粘接性能退化情况,揭示了不同环境应力水平对粘接试样的影响机理。(2)基于多环境退化因子模型的叶片粘接疲劳仿真研究。针对环境老化试验周期长、成本高和样本数据小等问题,提出一种基于多环境退化因子模型的试验-数值模拟相结合的疲劳性能分析方法;基于多环境老化加速疲劳试验数据,建立了多环境退化因子模型,并引入循环内聚力模型(Cyclic Cohesive Zone Model,CCZM)中,仿真分析了多环境应力影响下的粘接疲劳损伤行为和疲劳性能退化规律。(3)叶片粘接疲劳可靠性分析与评估研究。基于多环境退化因子模型和循环内聚力模型,完成对海上风机叶片粘接疲劳性能退化分析;考虑粘接性能多阶段、变点等因素,采用多阶段Wiener随机过程对粘接疲劳性能退化进行描述,建立多环境影响下的海上风机叶片粘接疲劳可靠性模型;最终完成海上风机叶片粘接疲劳可靠性分析与评估。
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