大型风力机叶片的疲劳寿命模糊预测方法研究

摘要

疲劳破坏是造成风力机叶片失效的主要原因。由于风机叶片结构复杂，工作环境恶劣，载荷情况复杂多变且不可预知，为避免叶片在设计使用寿命内发生疲劳破坏，风机叶片必须具有足够的疲劳强度。考虑到风机的生产成本，叶片厚度不会很大。要在满足使用寿命要求的前提下尽可能降低成本，就必须对风机叶片进行合理的疲劳寿命分析，并将分析结果作为风机叶片设计、制造、优化和可靠性评估的重要依据。
　　本文首先分析了叶片运行时所承受的载荷情况，指出对疲劳寿命影响较大三种载荷分别为气动载荷、重力载荷及惯性载荷，然后介绍了传统疲劳寿命预测方法的理论基础，并指出其在疲劳寿命预测中的局限性，最后分析了叶片疲劳寿命的模糊性，并给出常用的模糊隶属函数，为后文风机叶片模糊损伤的估算打下理论基础。利用有限元分析软件ANSYS建立了风机叶片模型。采用SHEEL99单元建立叶片壳体，通过定义并选取单元实常数的方式对叶片主梁、腹板、前后缘及叶根等各部分进行铺层设置，定义叶片复合材料属性，包括密度、泊松比、弹性模量及剪切模量等，最后对风机叶片进行网格划分，从而得到风机叶片有限元模型。文中通过命令流给出了详细的叶片建模过程，作为参考。叶片最危险的部位是叶根部分。利用风机性能分析软件GH Bladed计算不同风速的湍流风作用下，距离叶根1.5m的叶素截面承受的载荷。将得到的载荷数据加载到叶根模型，利用ANSYS完成动力学分析，并提取叶根模型中危险部位的等效应力-时间历程曲线。采用雨流计数法对该应力数据进行循环统计，得到各平均风速的湍流风作用下叶根处的应力谱。最后利用Weibull分布计算全年各风速的分布时长，结合各风速下的应力谱得到各级应力在全年所有应力循环次数中的比例，根据玻璃钢 S-N曲线求解各级应力作用下叶片材料发生破坏时的循环次数，基于以上数据，采用模糊寿命预测方法计算低幅载荷引起的疲劳损伤、强化后正常的疲劳损伤及载荷交互效应引起的疲劳损伤，进而得到风机叶片疲劳寿命，并将该估算结果与传统的基于线性Miner准则计算的疲劳寿命作对比。

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1 绪论

1.1课题背景及意义

1.2 国内外风电行业发展概况

1.3叶片载荷及疲劳寿命研究现状

1.4 本文主要内容

2 叶片疲劳载荷及寿命模糊性分析

2.1叶片载荷概况

2.2 疲劳分析理论

2.3 风机叶片疲劳寿命的模糊性

2.4 本章小结

3 叶片载荷计算及有限元建模

3.1 风机叶片概况

3.2 基于GN-BLADED软件分析叶片载荷

3.3 建立风机叶片有限元模型

3.4 本章小结

4 叶根应力求解及应力谱编制

4.1 叶根危险部位应力计算

4.2 应力谱编制

4.3 本章小结

5 风机叶片寿命模糊预测

5.1 风速分布

5.2 风机叶片寿命模糊估计

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1本文工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献