風(fēng)電葉片疲勞試驗(yàn)載荷確定方法研究

黃志華 黃永東 趙 萍 鐘賢和

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)， 618000）

0 前言

風(fēng)電葉片作為風(fēng)力機(jī)的重要組成部件，在風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行中承受著不斷變化的風(fēng)載荷作用，惡劣的氣候環(huán)境和葉片長(zhǎng)年累月的不斷運(yùn)行，使得風(fēng)電葉片的疲勞壽命備受人們關(guān)注。為檢驗(yàn)風(fēng)電葉片的疲勞使用壽命是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，國(guó)外學(xué)者和專(zhuān)家已做過(guò)大量的工作。相比之下，國(guó)內(nèi)在這方面的研究和試驗(yàn)相對(duì)較少。

通常風(fēng)電葉片的認(rèn)證試驗(yàn)分為靜力試驗(yàn)認(rèn)證和疲勞試驗(yàn)認(rèn)證兩方面，靜力試驗(yàn)認(rèn)證主要檢驗(yàn)葉片的質(zhì)量、固有頻率、極限載荷下的強(qiáng)度極限和穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計(jì)要求，而疲勞試驗(yàn)則檢驗(yàn)葉片的結(jié)構(gòu)、鋪層和粘接設(shè)計(jì)是否合理，是否能達(dá)到預(yù)設(shè)計(jì)的葉片使用年限，同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)在葉片生產(chǎn)制造過(guò)程中的一些制造缺陷。

根據(jù)國(guó)外已進(jìn)行的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)電葉片的疲勞試驗(yàn)主要分為雙軸和單軸疲勞加載試驗(yàn)，雙軸加載疲勞試驗(yàn)可同時(shí)進(jìn)行揮舞和擺振兩個(gè)方向的試驗(yàn)，單軸加載試驗(yàn)則每次只進(jìn)行揮舞或擺振方向的試驗(yàn)，可見(jiàn)前者比后者對(duì)葉片的檢驗(yàn)更加節(jié)省時(shí)間和節(jié)省相應(yīng)的試驗(yàn)費(fèi)用，但試驗(yàn)設(shè)備要求更高、試驗(yàn)難度更大。結(jié)合國(guó)內(nèi)自身?xiàng)l件以及中國(guó)船級(jí)社葉片疲勞試驗(yàn)規(guī)范的要求，此次葉片的疲勞試驗(yàn)只進(jìn)行揮舞方向的疲勞試驗(yàn)。本文就DF64A風(fēng)電葉片進(jìn)行的單點(diǎn)單軸恒幅值加載方式下的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)載荷設(shè)計(jì)方法研究。

1 疲勞試驗(yàn)的目的及試驗(yàn)載荷確定原則

葉片在實(shí)際運(yùn)行中疲勞載荷譜非常復(fù)雜，圖1（以My為例）僅是一個(gè)截面的疲勞載荷譜，每個(gè)截面疲勞載荷譜不同，同時(shí)同一個(gè)截面振幅都在不斷變化且振動(dòng)次數(shù)非常多 （20年的壽命內(nèi)），無(wú)法模擬，因此必須采用簡(jiǎn)化加速方法在較短的時(shí)間內(nèi)等效模擬葉片的實(shí)際運(yùn)行情況，檢驗(yàn)試驗(yàn)葉片是否能夠安全運(yùn)行。即對(duì)葉片僅施加疲勞載荷My，所加載荷的等效損傷與葉片運(yùn)行壽命內(nèi)的等效損傷相同，檢驗(yàn)葉片在試驗(yàn)中是否破壞。

圖1 DF64A某截面My實(shí)際的疲勞載荷譜

1.1 關(guān)注截面位置

因?yàn)槠谠囼?yàn)僅能在局部加載，僅能關(guān)注一個(gè)截面，根據(jù)疲勞強(qiáng)度分析，選取疲勞安全裕度最小的截面作為疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證截面。

1.2 試驗(yàn)次數(shù)的選取

為了使葉片的試驗(yàn)時(shí)間不能太長(zhǎng)，也避免由于次數(shù)太少導(dǎo)致試驗(yàn)不能反映真實(shí)情況，一般確定試驗(yàn)次數(shù)為 Ns=5×106～1×107次 （根據(jù)船級(jí)社規(guī)范要求），試驗(yàn)的頻率與葉片一階揮舞頻率相近，在該頻率之下進(jìn)行疲勞載荷的激振試驗(yàn)，這樣在最長(zhǎng)3～4個(gè)月就能夠完成葉片疲勞試驗(yàn)。

1.3 疲勞載荷計(jì)算的關(guān)注點(diǎn)

將損傷最大的位置作為疲勞計(jì)算的關(guān)注點(diǎn)。為了便于計(jì)算與測(cè)試之間的相互關(guān)聯(lián)，取損傷最大截面的葉片外層應(yīng)變?yōu)槠谟?jì)算的關(guān)注點(diǎn)，以便與測(cè)試結(jié)果對(duì)比，另外，通過(guò)有限元的計(jì)算可以分析外層應(yīng)變與其他各層應(yīng)變之間的差異。

2 葉片的疲勞損傷計(jì)算

2.1 葉片的有限元模型

圖2 DF64A風(fēng)電葉片有限元模型

建立DF64A葉片疲勞損傷計(jì)算的葉片有限元模型，有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。最終的計(jì)算模型需要對(duì)葉片有限元模型進(jìn)行復(fù)合材料鋪層，并在葉根處施加固定支撐約束模擬葉片的工作狀況。

2.2 計(jì)算葉片的疲勞損傷最大作用系數(shù)

在葉尖施加揮舞、擺振和軸向三個(gè)方向的單位載荷，利用MSC.Patran軟件計(jì)算出葉片有限元模型各個(gè)截面的應(yīng)變值，引入Bladed軟件計(jì)算得出的疲勞載荷譜 （即Markov矩陣）計(jì)算得到疲勞載荷作用下葉片各截面的應(yīng)變值，利用玻璃纖維復(fù)合材料疲勞損傷的計(jì)算理論，運(yùn)用自編的Matlab軟件計(jì)算并繪制出葉片各截面疲勞損傷的最大作用系數(shù) （見(jiàn)圖3）。

圖3 DF64A風(fēng)電葉片疲勞損傷的最大作用系數(shù)

從圖3中可以看出，葉片13.5m截面主梁帽部分最容易產(chǎn)生疲勞破壞，根據(jù)葉片疲勞損傷的計(jì)算結(jié)果結(jié)合葉片13.5m截面的有限元網(wǎng)格，可進(jìn)一步確定出葉片最易疲勞損壞的位置為13.5m截面吸力側(cè)主梁帽中心位置靠近后緣100mm處的最外層纖維方向，于是可確定該位置為葉片疲勞試驗(yàn)危險(xiǎn)截面的危險(xiǎn)點(diǎn) （定義為疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)），同時(shí)將該位置最外層的纖維方向應(yīng)變作為設(shè)計(jì)疲勞試驗(yàn)載荷基準(zhǔn)值。

由于本次疲勞試驗(yàn)采用單點(diǎn)單軸的加載試驗(yàn)方式進(jìn)行揮舞方向試驗(yàn)，所以在確定疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)之后，還需計(jì)算葉片在單位彎矩My作用下，該點(diǎn)的纖維方向應(yīng)變值，以便進(jìn)行疲勞載荷設(shè)計(jì)。

3 計(jì)算疲勞試驗(yàn)載荷

3.1 計(jì)算疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)的疲勞損傷

使用有限元軟件MSC.Patran計(jì)算出在單位彎矩My作用下，疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)的應(yīng)變值εf（纖維方向），見(jiàn)表1。

表1 單位彎矩下疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)的應(yīng)變

表2為葉片13.5m截面疲勞載荷My作用下的 Markov矩陣。

表2 13.5m截面疲勞載荷My作用下的Markov矩陣 （部分）

將計(jì)算出的單位載荷下的應(yīng)變值乘上載荷幅值得到相應(yīng)循環(huán)載荷作用下的應(yīng)變動(dòng)態(tài)幅值SK，A，再將單位載荷下的應(yīng)變值乘上載荷均值得到循環(huán)載荷作用下的應(yīng)變均值SK，M。利用玻璃纖維復(fù)合材料疲勞壽命計(jì)算公式，可以得到疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)在疲勞載荷My作用下的疲勞壽命次數(shù)N：

式（1）中：

Rk，t—特征短期結(jié)構(gòu)元件的拉伸強(qiáng)度；

Rk，c—特征短期結(jié)構(gòu)元件的壓縮強(qiáng)度；

γMa—材料的局部安全系數(shù) （靜強(qiáng)度）；

γMb—材料的局部安全系數(shù) （疲勞強(qiáng)度）；

Clb=N1/m；

m—S-N曲線的斜率參數(shù)。

式（1）中各參數(shù)在計(jì)算中取值如表3所示，其中DF64A葉片為聚酯樹(shù)脂基體，所以m取值為9。

表3 疲勞壽命計(jì)算使用數(shù)據(jù)

確定出葉片的疲勞壽命次數(shù)后，則可根據(jù)Miner線性損傷理論計(jì)算得到疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)的疲勞損傷D值：

其中：ni—實(shí)際某個(gè)循環(huán)次數(shù)；

Ni—某個(gè)循環(huán)的疲勞壽命次數(shù)：

體育小鎮(zhèn)的空間布局受居民體育旅游需求以及體育旅游資源的吸引定向性等主客觀因素的影響[8]。因此，體育小鎮(zhèn)的空間布局需要考慮居民體育旅游的多樣性偏好、出游半徑以及出游成本等方面的因素，在空間布局過(guò)程中，應(yīng)避免某一區(qū)域同類(lèi)型體育小鎮(zhèn)的重復(fù)建設(shè)，從異質(zhì)性的角度出發(fā)，差異化布局，實(shí)現(xiàn)體育小鎮(zhèn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。以環(huán)太湖體育圈為例，作為體育小鎮(zhèn)空間布局的軸線，環(huán)太湖體育旅游資源有一定的相似性，在后續(xù)體育小鎮(zhèn)的建設(shè)中，應(yīng)發(fā)揮地域特色優(yōu)勢(shì)，如蘇州漁洋山飛行傘訓(xùn)練基地、宜興湖父鎮(zhèn)竹海風(fēng)景區(qū)等可依據(jù)特色體育項(xiàng)目開(kāi)展體育小鎮(zhèn)建設(shè)。

D—葉片在給定Markov矩陣載荷作用下的損傷。

由此計(jì)算出疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)的疲勞損傷為D=5.14E-2。

3.2 計(jì)算恒幅值疲勞載荷下的應(yīng)變均值和幅值

由于實(shí)際葉片在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，其疲勞載荷為變幅載荷譜，而實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中所施加的疲勞載荷為等效的恒幅值疲勞載荷，因此，需要將各個(gè)工況下的變幅疲勞載荷轉(zhuǎn)換成恒幅值的單點(diǎn)單軸疲勞加載方式。

由疲勞損傷理論可以知道，應(yīng)變均值SK，M和應(yīng)變幅值SK，A之間具有一定的比例關(guān)系，其數(shù)學(xué)公式可以用式（3）來(lái)表示：

式（3）中：R 表示載荷比 （R=SK，Min/SK，Max）， 即某個(gè)載荷循環(huán)的最小應(yīng)變與最大應(yīng)變的比值。考慮疲勞試驗(yàn)中其配重為600kg和葉片自重的情況下，R取值為-0.54132。

再根據(jù)式（4）可計(jì)算出相應(yīng)恒幅疲勞載荷下葉片的應(yīng)變均值，同時(shí)利用式（3）可一并計(jì)算出等幅疲勞載荷下的應(yīng)變幅值，具體數(shù)值見(jiàn)表4所示。

表4 各預(yù)設(shè)試驗(yàn)次數(shù)疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)的應(yīng)變均值和幅值

3.3 計(jì)算疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn) （激振）載荷

由疲勞理論分析可知，疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)的應(yīng)變均值由葉片自重和配重產(chǎn)生，應(yīng)變動(dòng)態(tài)幅值由作用在葉片上的動(dòng)態(tài)激振力產(chǎn)生。所以根據(jù)此對(duì)應(yīng)關(guān)系，可進(jìn)一步確定出疲勞試驗(yàn)時(shí)作用在葉片上的動(dòng)態(tài)激振力。

考慮到葉片之間的分散系數(shù)和疲勞計(jì)算公式的不確定性，實(shí)際計(jì)算疲勞試驗(yàn)載荷時(shí)，需考慮上1.155的疲勞試驗(yàn)載荷系數(shù) （見(jiàn)表5）。

表5 疲勞試驗(yàn)載荷系數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范的要求和該葉片疲勞危險(xiǎn)截面的位置，以及減少疲勞試驗(yàn)時(shí)間的目的，最終將葉片截?cái)酁?3m，并選擇疲勞試驗(yàn)載荷的加載位置在葉片的21m截面，此時(shí)計(jì)算出的激振力靜態(tài)幅值和配重見(jiàn)表6所示。

表6 疲勞試驗(yàn)靜態(tài)加載參數(shù)

4 靜態(tài)載荷的有限元驗(yàn)證

將上面計(jì)算得到的靜態(tài)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)有限元方法計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以確定利用上述理論計(jì)算的正確性。按揮舞正方向和揮舞負(fù)方向兩種工況，將上面得到的疲勞試驗(yàn)靜態(tài)加載參數(shù)輸入到1.0MW葉片的有限元模型里進(jìn)行計(jì)算，則得到的疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)的應(yīng)變值見(jiàn)圖4所示。

表7給出了根據(jù)疲勞理論計(jì)算出的疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)應(yīng)變值和有限元計(jì)算值之間的對(duì)比。

表7 理論設(shè)計(jì)值與有限元計(jì)算值對(duì)比

圖4 有限元模型靜態(tài)加載時(shí)疲勞設(shè)計(jì)點(diǎn)的應(yīng)變值

根據(jù)表7的對(duì)比結(jié)果可以知道疲勞理論計(jì)算得到的疲勞試驗(yàn)載荷應(yīng)變值是合理的。

5 疲勞試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)加載載荷

由于風(fēng)電葉片在疲勞試驗(yàn)中是一個(gè)往復(fù)振動(dòng)，即葉片在疲勞試驗(yàn)過(guò)程是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)的。為了在疲勞試驗(yàn)中盡量增大疲勞載荷的動(dòng)態(tài)激振力，為此，在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，其疲勞載荷的激振頻率則必須運(yùn)行在葉片揮舞方向1階固有頻率附近，因此，此時(shí)需要考慮葉片疲勞動(dòng)力模型的動(dòng)力學(xué)放大效應(yīng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的動(dòng)力學(xué)模型有限元計(jì)算分析，最終確定疲勞試驗(yàn)動(dòng)態(tài)加載載荷如表8所示，表9是在相應(yīng)疲勞試驗(yàn)載荷下的疲勞損傷值。

表8 疲勞試驗(yàn)動(dòng)態(tài)加載載荷

表9 疲勞載荷設(shè)計(jì)點(diǎn)損傷和應(yīng)變計(jì)算值

根據(jù)等效疲勞損傷原理，設(shè)計(jì)出如圖5～圖6的試驗(yàn)裝置圖，圖7是試驗(yàn)的實(shí)景。

根據(jù)該試驗(yàn)載荷的設(shè)計(jì)結(jié)果，在3個(gè)月可完成5.00E+06次的葉片疲勞試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成并通過(guò)船級(jí)社的見(jiàn)證。

6 結(jié)論

本文針對(duì)1.0MW風(fēng)電葉片DF64A疲勞試驗(yàn)，按照IEC規(guī)范和中國(guó)船級(jí)社的要求，按單點(diǎn)單軸恒幅值加載方式的要求，采用疲勞理論計(jì)算和有限元軟件計(jì)算相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)出了該DF64A風(fēng)電葉片疲勞試驗(yàn)時(shí)的疲勞動(dòng)態(tài)加載載荷 （包括激振頻率、加載幅值、配置質(zhì)量等），闡述了風(fēng)電葉片在單點(diǎn)單軸恒幅值加載方式下，疲勞試驗(yàn)載荷的一種設(shè)計(jì)思路和方法，可以在較短的時(shí)間之內(nèi)模擬葉片的實(shí)際運(yùn)行情況，為風(fēng)電葉片的疲勞試驗(yàn)奠定了一定基礎(chǔ)。

[1]International Electrotechnical Commission88/102/CD.Draft IEC 61400-22：Wind Turbine Certification.December 1998

[2]International Electrotechnical Commission88/84/CD.Draft IEC 61400-23：Testing of Rotor Blades.September 1998

[3]Hughes,S.Musial,W.And Stensland,T.Implementation of A Two-Axis Servo-Hydraulic System for Full-Scale Fatigue Testing of Wind Turbine Blades.NREL/CP-500-26896.Windpower 99 Proceedings;June 20-23,1999,Burlington,Vermont.Washington D.C.：American Wind Energy Association

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