CN110220688A - 用于风力发电机叶片的疲劳测试方法 - Google Patents

用于风力发电机叶片的疲劳测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机叶片的疲劳测试方法，包括以下步骤：在叶片上安装倾角传感器和应变片；在叶片的叶尖分别施加不同大小的静态载荷，采集相应的扭转角和应变值；对叶片的扭转角和应变值进行分析，得到单位扭转角与应变值关系；对叶片施加动态载荷，采集叶片的扭转角和应变值；计算出所述叶片在动态标定时相应扭转角的单位扭矩所产生的应变值；消除由扭矩所引起的应变值，得到所述叶片在动态标定时由弯矩产生的应变值；通过分析得到动态标定时弯矩与应变的关系函数，得到疲劳测试中结果。本发明通过消除叶片在动态标定中扭矩对叶片应变耦合的影响，得到弯矩与叶片应变的关系，可得到比较准确的叶片疲劳测试结果。

Description

用于风力发电机叶片的疲劳测试方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种用于风力发电机叶片的疲劳测试方法。
背景技术
随着风力发电机组大功率化趋势，从内在方面驱动风电叶片的大型化发展。疲劳测试是大型叶片型式验证的关键环节。叶片的疲劳载荷是以加载在叶片截面上的弯矩或者力的形式提供，叶片的疲劳累积损伤是以材料的应变数据进行统计。因此，对叶片进行疲劳测试需要建立叶片的弯矩与应变之间的关系。
目前行业内的标定方式是在叶片的前、后缘以及PS面(迎风面)主梁和SS面(背风面)主梁安装应变片，通过在叶尖位置施加载荷，获得叶片截面上的弯矩和应变之间的传递函数。但是，使用激振设备对叶片进行动态循环加载时，除了弯矩，还容易引入扭矩，使得叶片在静态时的振形和动态时的振形不一致，导致叶片在静态标定时，叶片截面的前、后缘或者PS面主梁和SS面主梁的应变和弯矩的传递函数不能真实反映出叶片在动态加载时的情况。
对于长度只有几米的叶片，扭矩的影响不大，可以采用上述传统的测试方法。但是，随着叶片越造越大，对于长度达到几十米的大型叶片，叶片振动时的扭矩对其影响更加严重，应用传统疲劳测试方法不能真实反映叶片截面上的累积损伤。如果采用传统的叶片疲劳测试方法，当疲劳测试中应变加载不足时，疲劳测试不能覆盖叶片的累积疲劳损伤，使叶片可靠性下降；当疲劳测试中应变超载时，会造成叶片结构的疲劳强度冗余设计，增加叶片重量，使得风机的经济性变差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中在对叶片进行疲劳测试时扭矩对叶片应变的影响，得到比较真实的弯矩与叶片应变的关系，从而得到比较准确的疲劳测试结果，提供一种用于风力发电机的叶片的疲劳测试方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种用于风力发电机叶片的疲劳测试方法，其特点在于，包括以下步骤：
S1、在所述叶片的第一关键截面和第二关键截面分别安装倾角传感器和应变片，所述倾角传感器的x轴为所述叶片的轴向，所述倾角传感器的y轴为所述叶片的前后缘方向；
S2、在所述叶片的叶尖分别施加不同大小的静态载荷使所述叶片发生扭转，通过所述倾角传感器和所述应变片分别采集所述第一关键截面和所述第二关键截面在静态标定时所述叶片的扭转角和应变值；
S3、通过对所述叶片的扭转角和应变值进行有限元模型分析，计算出所述第一关键截面的单位扭矩分别与所述第二关键截面的应力值关系，得到一个参考系数；
S4、通过激振设备发出激振力对所述叶片施加动态载荷，当所述叶片的振动幅值稳定且达到目标要求时，通过所述倾角传感器和所述应变片分别采集所述第一关键截面和所述第二关键截面在动态标定时所述叶片的扭转角和应变值；
S5、通过步骤S3中得到的所述参考系数，计算出所述叶片在动态标定时相应扭转角的单位扭矩所产生的应变值；
S6、将所述叶片在步骤S4中进行动态标定时获得的应变值减去步骤S5中得到的由扭矩所引起的应变值，得到所述叶片在动态标定时由弯矩产生的应变值；
S7、结合有限元模型分析，解耦弯矩和扭矩耦合对应变的影响，得到动态标定时弯矩与应变的关系函数，继而得到所述叶片在疲劳测试中的结果；
其中：所述第一关键截面为所述叶片的最大弦长截面、叶根截面从圆形过渡至翼形区域、不同种结构材料的搭接过渡区域或结构设计时的危险截面，所述第二关键截面的位置为PS面主梁、SS面主梁、PS面后缘、SS面后缘、叶片前缘。
较佳地，所述结构设计时的危险截面包括静强度和疲劳强度安全系数最低的区域或稳定性系数较低区域。
较佳地，所述倾角传感器安装有多个，分别一一对应安装在多个所述第一关键截面。
较佳地，先通过步骤S2得到扭转角后，再通过公式计算得到其它所述第一关键截面的扭转角所对应的单位扭矩，然后在进行步骤S3中的有限元模型分析，得到单位扭矩与应力值的关系；
其中，所述公式为：
式中：
α1为叶根的扭转角，初始值为0；
αi，前一截面的扭转角；
αi+1，后一截面的扭转角；
i，i＝1,2,...,n为对应的截面序号，n为最后一个截面；
T，扭矩；
Δl，截面长度；
GIpi，对应的截面扭转刚度；
所述叶片各个所述第一关键截面的扭转刚度GIpi和截面长度Δl由所述叶片在设计时的结构特性得到。
较佳地，所述第一关键截面为所述叶片的最大弦长截面。
较佳地，所述激振设备的振动频率为0.3～0.8Hz。
较佳地，所述倾角传感器的参数要求如下：角度测试范围为-60°～60°，分辨率为0.01°，采样频率为20～40Hz。
较佳地，所述倾角传感器为加速度传感器。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明用于风力发电机叶片的疲劳测试方法在对叶片进行疲劳测试时，通过消除叶片在动态标定中扭矩对叶片应变耦合的影响，得到弯矩与叶片应变的关系，可得到比较准确的叶片疲劳测试结果，适用于大型叶片的疲劳测试。
附图说明
图1为本发明中用于风力发电机的叶片的疲劳测试方法的流程图。
图2为本发明中叶片在外部载荷作用下发生扭转的结构示意图。
图3为本发明中应变片的安装位置的结构图。
附图标记说明：
倾角传感器安装位置11
PS面主梁21
SS面主梁22
PS面后缘23
SS面后缘24
叶片前缘25
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
如图1至图3所示，本发明的一种用于风力发电机的叶片的疲劳测试方法，其包括以下步骤：
步骤S1、在叶片的第一关键截面和第二关键截面分别安装倾角传感器和应变片，倾角传感器的x轴为叶片的轴向，倾角传感器的y轴为叶片的前后缘方向；
步骤S2、在叶片的叶尖分别施加不同大小的静态载荷使叶片发生扭转，通过倾角传感器和应变片分别采集第一关键截面和第二关键截面在静态标定时叶片的扭转角和应变值；
步骤S3、通过对叶片的扭转角和应变值进行有限元模型分析，计算出第一关键截面的单位扭矩分别与第二关键截面的应力值关系，得到一个参考系数；
步骤S4、通过激振设备发出激振力对叶片施加动态载荷，当叶片的振动幅值稳定且达到目标要求时，通过倾角传感器和应变片分别采集第一关键截面和第二关键截面在动态标定时叶片的扭转角和应变值；
步骤S5、通过步骤S3中得到的参考系数，计算出叶片在动态标定时相应扭转角的单位扭矩所产生的应变值；
在本步骤中，通过叶片在静态载荷时得到的扭矩与应变值的关系，推导叶片在动态载荷时由扭矩产生的应力值。
步骤S6、将叶片在步骤S4中进行动态标定时获得的应变值减去步骤S5中得到的由扭矩所引起的应变值，得到叶片在动态标定时由弯矩产生的应变值；
在本步骤中，将测得的扭矩和弯矩耦合后产生的应力值减去由扭矩产生的应力值，即将扭矩的应力值解耦，可得到由弯矩产生的应变值的分布。本步骤主要为了达到消除叶片振动时扭矩影响的目的，使得叶片振动时获得的应变真实反映弯矩水平。
步骤S7、结合有限元模型分析，解耦弯矩和扭矩耦合对应变的影响，得到动态标定时弯矩与应变的关系函数，继而得到叶片在疲劳测试中的结果。
在本步骤中，结合有限元模型分析，解耦弯矩和扭矩耦合对应变的影响，得到动态标定时弯矩与应变的关系函数，结合材料的古德曼曲线，用来评估叶片的疲劳累积损伤。
本发明的用于风力发电机的叶片的疲劳测试方法在对叶片进行疲劳测试时，通过消除叶片在动态标定中扭矩对叶片应变耦合的影响，得到弯矩与叶片应变的关系，可得到比较准确的叶片疲劳测试结果，适用于大型叶片的疲劳测试。
本发明通过测试叶片振动时的关键截面的扭转角，结合叶片的扭转刚度信息，求解出叶片的扭转变形分布。根据有限元模型，提取出单位扭转角度分别对应的叶片的PS面主梁21、SS面主梁22、PS面后缘23、SS面后缘24、叶片前缘25的应变分布。在叶片标定时利用以上数据来消除扭矩对叶片挥舞和摆振弯矩的影响。使得标定应变真实反映挥舞或者摆振弯矩，消除扭矩耦合的影响。叶片的前后缘的损伤在叶片静态和动态标定时，增加扭转角测试的疲劳测试标定方案，有利于测试结果中统计的疲劳累积损伤真实反映叶片的疲劳强度，防止出现结构疲劳强度设计不足或者冗余的情况，提高叶片的可靠性。
本实施例中，第一关键截面为叶片的最大弦长截面、叶根截面从圆形过渡至翼形区域、不同种结构材料的搭接过渡区域或结构设计时的危险截面中的一个或多个，例如，可以选用叶片的最大弦长截面作为第一关键截面，因为此处的叶片产生的扭转角相对于其它截面更大，当选择多个第一关键截面时，需要在每个第一关键截面上都安装倾角传感器，得到每个第一关键截面的扭转角；第二关键截面的位置为PS面主梁21、SS面主梁22、PS面后缘23、SS面后缘24、叶片前缘25。
叶片在结构设计时的危险截面包括静强度和疲劳强度安全系数最低的区域或者稳定性系数较低区域。这些位置在外力作用下很容易产生扭转，均可作为第一关键截面，用于测试叶片的扭转角。
在本实施例中，如果只选一个或很少的几个第一关键截面，通过倾角传感器得到相关扭转角后，再通过公式计算得到其它第一关键截面的扭转角所对应的单位扭矩，然后再对叶片进行步骤S3中有限元模型分析，得到单位扭矩与应力值的关系；
其中，公式为：
式中：
α1为叶根的扭转角，初始值为0；
αi，前一截面的扭转角；
αi+1，后一截面的扭转角；
i，i＝1,2,...,n为对应的截面序号，n为最后一个截面；
T，扭矩；
Δl，截面长度；
GIpi，对应的截面扭转刚度；
叶片各个第一关键截面的扭转刚度GIpi和截面长度Δl由叶片在设计时的结构特性得到。
在本实施例中，激振设备的振动频率为0.3～0.8Hz，根据所要测试叶片的大小，选择合适振动频率的激振设备。当所要测试的叶片较大或较小时，也可采用其它振动频率的激振设备。
在本实施例中，倾角传感器的参数要求如下：角度测试范围为-60°～60°，分辨率为0.01°，采样频率为20～40Hz。也可采用其它参数的倾角传感器
在本实施例中，倾角传感器优选高精度的多轴多功能加速度传感器，也可采用其它可以测量扭转角的传感器。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于风力发电机叶片的疲劳测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在所述叶片的第一关键截面和第二关键截面分别安装倾角传感器和应变片，所述倾角传感器的x轴为所述叶片的轴向，所述倾角传感器的y轴为所述叶片的前后缘方向；
S2、在所述叶片的叶尖分别施加不同大小的静态载荷使所述叶片发生扭转，通过所述倾角传感器和所述应变片分别采集所述第一关键截面和所述第二关键截面在静态标定时所述叶片的扭转角和应变值；
S3、通过对所述叶片的扭转角和应变值进行有限元模型分析，计算出所述第一关键截面的单位扭矩分别与所述第二关键截面的应变值关系，得到一个参考系数；
S4、通过激振设备发出激振力对所述叶片施加动态载荷，当所述叶片的振动幅值稳定且达到目标要求时，通过所述倾角传感器和所述应变片分别采集所述第一关键截面和所述第二关键截面在动态标定时所述叶片的扭转角和应变值；
S5、通过步骤S3中得到的所述参考系数，计算出所述叶片在动态标定时相应扭转角的单位扭矩所产生的应变值；
S6、将所述叶片在步骤S4中进行动态标定时获得的应变值减去步骤S5中得到的由扭矩所引起的应变值，得到所述叶片在动态标定时由弯矩产生的应变值；
S7、结合有限元模型分析，解耦弯矩和扭矩耦合对应变的影响，得到动态标定时弯矩与应变的关系函数，继而得到所述叶片在疲劳测试中的结果；
其中：所述第一关键截面为所述叶片的最大弦长截面、叶根截面从圆形过渡至翼形区域、不同种结构材料的搭接过渡区域或结构设计时的危险截面，所述第二关键截面的位置为PS面主梁、SS面主梁、PS面后缘、SS面后缘、叶片前缘。
2.如权利要求1所述的用于风力发电机叶片的疲劳测试方法，其特征在于，所述结构设计时的危险截面包括静强度和疲劳强度安全系数最低的区域或者稳定性系数较低区域。
3.如权利要求1所述的用于风力发电机叶片的疲劳测试方法，其特征在于，所述倾角传感器安装有多个，分别一一对应安装在多个所述第一关键截面上。
4.如权利要求1所述的用于风力发电机叶片的疲劳测试方法，其特征在于，先通过步骤S2得到扭转角后，再通过公式计算得到其它所述第一关键截面的扭转角所对应的单位扭矩，然后在进行步骤S3中的有限元模型分析，得到单位扭矩与应力值的关系；
其中，所述公式为：
式中：
α1为叶根的扭转角，初始值为0；
αi，前一截面的扭转角；
αi+1，后一截面的扭转角；
i，i＝1,2,...,n为对应的截面序号，n为最后一个截面；
T，扭矩；
Δl，截面长度；
GIpi，对应的截面扭转刚度；
所述叶片的各个所述第一关键截面的扭转刚度GIpi和截面长度Δl由所述叶片在设计时的结构特性得到。
5.如权利要求1所述的用于风力发电机叶片的疲劳测试方法，其特征在于，所述第一关键截面为所述叶片的最大弦长截面。
6.如权利要求1所述的用于风力发电机叶片的疲劳测试方法，其特征在于，所述激振设备的振动频率为0.3～0.8Hz。
7.如权利要求1所述的用于风力发电机叶片的疲劳测试方法，其特征在于，所述倾角传感器的参数要求如下：角度测试范围为-60°～60°，分辨率为0.01°，采样频率为20～40Hz。
8.如权利要求1-7任意一项所述的用于风力发电机叶片的疲劳测试方法，其特征在于，所述倾角传感器为加速度传感器。
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