双轴共振式风电叶片全尺寸结构疲劳测试理论与方法

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风电叶片是风电机组实现风能捕获的关键部件,其工况载荷复杂多变、结构设计理论尚不完善,叶片实际寿命与设计寿命往往存在较大的偏差,因此需要通过全尺寸结构疲劳测试对叶片结构设计合理性、制造工艺规范性进行检验,确保后续批量投运的叶片性能与设计指标相符。然而,目前广泛使用的单轴共振式全尺寸结构疲劳测试技术已无法满足叶片质量检测的需求。为了提高测试精度与效率,双轴共振式全尺寸结构疲劳测试技术已成为行业的自然选择。本文以此为背景,对双轴共振式全尺寸结构疲劳测试技术的若干理论问题进行研究,主要研究内容和贡献如下:(1)提出小样本疲劳试验数据下叶片复合材料P-S-N曲线建模方法。利用疲劳寿命概率分位点一致性原理建立疲劳寿命等效转换模型,对不同应力水平下样本数据进行等效扩充,并据此构造基于后向统计推断的粒子群优化算法,实现P-S-N曲线参数估计。运用该方法对不同样本数量的碳纤维/环氧树脂复合材料疲劳试验数据进行P-S-N曲线建模,预测结果满足精度与稳定性的要求,验证了该方法的有效性。(2)提出基于空间映射关系的叶片复合材料P-CLD建模方法。通过构建P-S-N曲线与P-CLD模型的空间映射关系实现二者关联性描述,并据此在P-CLD直线方程、静强度分布与疲劳寿命分布的等概率分位点共线假设前提下实现复合材料P-CLD模型建立。运用该方法对玻璃纤维/聚酯树脂复合材料P-CLD模型进行建立,预测结果与材料P-S-N曲线相比趋于保守,验证了该方法的有效性。(3)提出基于截面载荷谱的风电叶片疲劳测试目标载荷计算方法。从叶片截面应力、应变和弯矩的关系出发定义弯矩—寿命(M-N)曲线,利用S-N曲线和CLD模型的映射关系建立与M-N曲线相关联的CLD模型,实现疲劳载荷谱累积损伤和目标载荷的快速计算。运用该方法对美国国家可再生能源实验室Ned Wind 25叶片截面目标载荷进行计算,计算结果与给定结果的误差满足精度要求,验证了M-N曲线及其CLD模型的合理性和有效性。(4)提出双轴共振式风电叶片全尺寸结构疲劳测试载荷分布优化方法。利用有限梁单元建立被测叶片多自由度系统动力学分析模型实现测试载荷幅值计算,并将动力学分析模型和目标载荷计算方法集成到粒子群算法中实现双轴共振式全尺寸结构疲劳测试载荷分布优化。通过2.5MW-52.5m风电叶片双轴共振加载方案设计结果表明,该方法能够在实现测试载荷产生的疲劳累积损伤不小于目标载荷的累积损伤前提下,快速准确地对挥舞方向、摆振方向激振器的位置和激振器运动质量等优化参数进行调控。(5)提出双轴共振式风电叶片全尺寸结构疲劳测试应变响应解耦方法。通过单轴、双轴共振加载条件下应变响应理论分析,提出一种利用修正系数对应变响应进行解耦的方法。通过课题组搭建的双轴共振式全尺寸结构疲劳测试原理样机进行实验,验证该方法的有效性。研究结果表明,修正后的应变响应高于原始应变响应,修正应变响应由叶片截面等效测试载荷引发的应变响应及其微小量组成,该方法能够为双轴共振式全尺寸结构疲劳测试加载系统控制提供参考依据。
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