[發明專利]一種風力機葉片模態分析方法

有效

• 申請號: 201410404552.9
• 申請日: 2014-08-16
• 公開（公告）號: CN104134013B
• 公開（公告）日: 2017-02-08
• 發明（設計）人: 石可重;徐建中
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G01M13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及機械行業風力發電技術領域，尤其涉及一種風力機葉片的模態分析方法。

背景技術

在風力機葉片設計中，一般都要求風力機葉片能滿足20年的使用壽命。在如此長的服役期間和野外惡劣的工作環境下，風電機組經常要在多種動態載荷作用下運行，嚴重影響了風電機組安全運行的可靠性和使用壽命。而惡劣的工作環境，特殊的材料性質，以及結構與工藝所帶來的種種問題，給葉片動態載荷下性能評估帶來相當大的難度。

在對葉片動態特性的研究中，模態分析是重要的一項內容。在葉片的設計過程中，如果能準確地把握葉片的模態參數，并據此對葉片結構進行優化，將在很大程度上對葉片未來的安全運行提供保障。

現有的風電葉片模態分析評估方法主要有計算分析與模態試驗。模態試驗是要求對已經制作出來的葉片進行測試，這不利于在葉片設計階段進行設計改進。且由于大型葉片的制造周期與成本方面的原因，也會給產品的研發帶來時間與成本的大幅增加。而模態計算由于周期短，成本低，因此在葉片設計階段，是非常適宜的，尤其在產品優化設計方面。

因此，開展準確地葉片模態計算具有非常重要的作用。目前在結構模態計算方面的技術大都比較成熟，尤其是結構有限元計算技術在結構模態計算方面的精度已經很高。然而在風電葉片結構的有限元模態計算中卻仍然存在一定的問題。其原因在于，影響模態計算準確性的主要因素在于結構質量與結構剛度的準確判定。而影響結構質量與剛度的一個重要因素是結構的材料性能。由于風力機葉片大都是由復合材料制成，其產品的材料性能，取決于具體的復合材料構成模式，也就是說，即便對于同一個葉片，其不同部位的材料性能，也會由于復合材料鋪層方式與構成的不同而不同，如果要準確獲知各部位的材料性能，需要對各部位的結構材料分別進行材料性能試驗，這對于目前大型的風電葉片結構是難以實現的，尤其在葉片設計之初。而即便能開展這樣的材料試驗，常規的材料試樣性能試驗往往也難以反應葉片中實際材料結構的性能。

因此，在葉片模態計算中，準確地確定材料性能，是影響到葉片模態參數能否被準確評估的重要前提。建立準確的材料性能確定方法，并應用到葉片模態計算中，對于新型葉片的設計研發具有重要的作用。

發明內容

針對現有葉片模態計算中諸如不能準確判定結構質量與結構剛度等問題，本發明旨在提供一種風力機葉片模態分析方法，通過縮尺寸葉片的模態試驗與模態計算相關性分析的方法，可以獲得比較準確的葉片材料性能，并應用到新型全尺寸葉片的模態分析中。該方法相對于現有的模態計算方法，具有更高的準確性；相對于全尺寸葉片模態試驗的方法，具有周期短、成本低等優點。此外，本方法中縮比模型試驗所需的測試設備，相對于大型全尺寸葉片的模態試驗所需的設備，在設備投資上也是比較經濟的。

(一)要解決的技術問題

針對目前風力機葉片模態分析中所存在的諸如不能準確判定結構質量與結構剛度等問題，本發明提出了一種風力機葉片模態計算方法，通過利用縮比模型的模態試驗與模態計算的相關性分析，獲得比較準確的材料性能參數，并應用到原型全尺寸葉片的模態計算中，獲得比較準確的分析結果，該方法可應用于新型葉片的研發。

(二)技術方案

本發明為解決其技術問題所采用的技術方案如下，一種風力機葉片的模態計算方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

SS1.依據所要測試評估的全尺寸風力機葉片的幾何結構特征，設計并制作一個結構尺寸等比例縮小的縮尺寸風力機葉片；

SS2.對所述縮尺寸風力機葉片進行模態測試試驗，獲得縮尺寸風力機葉片的各項模態參數。由于采用的是縮小比例的葉片，因此，可以比較方便的采用常規的模態測試設備與手段。所述各項模態參數包括頻率、振型、模態質量、模態剛度、模態阻尼等；

SS3.對所述縮尺寸風力機葉片建立結構有限元數值模型，依據給定的葉片材料性能數據，對縮尺寸風力機葉片進行模態計算，獲得縮尺寸風力機葉片有限元數值模型的各項模態參數。在首次計算中，可依據設計單位所提供的材料數據進行，計算得到相應的各項模態參數；

SS4.對比分析所述縮尺寸風力機葉片的模態測試試驗與模態計算的結果，比較二者所得各項模態參數的差異；