[發明專利]一種應用于風力葉片疲勞測試中的葉片結構頻率調節方法

有效

• 申請號: 201810159075.2
• 申請日: 2018-02-26
• 公開（公告）號: CN108387370B
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發明（設計）人: 石可重
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種應用于風力機葉片疲勞測試中葉片結構頻率的調節方法，通過對安放在實驗臺架上的測試葉片，建立其結構動力學模型，在若干位置增設彈簧單元，采用優化算法，對彈簧單元的位置與彈簧剛度進行優化布置，實現該葉片揮舞與擺振方向的結構頻率值滿足所希望的比例關系。將計算與優化分析所獲得的彈簧參數，應用到實際臺架上，在實際葉片上加設彈簧構件，從而實現對葉片揮舞與擺振方向頻率比值的調整，以滿足葉片疲勞試驗對不同方向頻率比值的要求。

技術領域

本發明屬于機械行業風力發電技術領域，尤其涉及一種應用于風力機葉片疲勞測試試驗中葉片結構頻率調節的實現方法。該方法采用在葉片揮舞或擺振某一方向加設彈簧構件，從而調整測試葉片揮舞與擺振方向的結構固有頻率比值關系。而彈簧構件的位置選擇與彈簧剛度選擇，則是通過采用葉片結構動力學數值計算與彈簧單元的優化設計相結合來實現的。利用計算分析得到的結果，并根據實際測試葉片的結構形式與工作環境，搭建實際的彈簧構件，實現測試葉片揮舞、擺振方向頻率值達到合理的比例關系，用以滿足葉片相關疲勞測試對葉片不同方向頻率比值的要求。

背景技術

風電葉片疲勞損傷問題是風電葉片設計、制造、運行中所關注的一項重要內容。導致疲勞破壞的不確定因素很多，疲勞性能很難單純依賴計算得到，進行全尺寸葉片的疲勞測試可以提供對設計的可靠確認。在現有疲勞試驗中，所采用的加載方式主要是單軸共振疲勞加載方式，即分別在葉片揮舞與擺振方向施加疲勞載荷，通過調整疲勞載荷的激振頻率與葉片在該方向結構固有頻率一致或接近，實現葉片的共振運動，從而實現對葉片的疲勞加載。共振加載的優點在于節省輸入能量。目前的實現方法，主要是調整激勵載荷的頻率值，以適應葉片結構的固有頻率值。但在一些情況下，當激勵載荷頻率難于調整時，就有必要考慮調整葉片結構固有頻率值，以適應激勵載荷的頻率值。

更為重要的是，由于葉片在實際運行中，同時承受多個方向的疲勞載荷，尤其是揮舞與擺振方向疲勞載荷的共同作用對葉片損傷具有重要的影響，而上述單軸疲勞實驗無法反映出多方向載荷同時作用的效果。隨著葉片大型化的發展，揮舞與擺振疲勞載荷的耦合作用效果更加明顯，因此開展葉片在揮舞與擺振方向同時施加疲勞載荷，即雙軸疲勞測試，將是今后葉片疲勞測試的一個發展趨勢。目前雙軸疲勞測試的開展上還存在很多技術難點需要解決。其中，由于測試葉片揮舞方向與擺振方向的固有頻率值往往不一致，而在進行疲勞加載，尤其是共振方式加載時，為了節省加載能量，總是希望加載頻率與結構固有頻率保持一致，這就導致葉片在揮舞與擺振方向的加載頻率也常常無法一致，而揮舞方向與擺振方向加載頻率值的不一致或不協調，就會在加載周期內，造成揮舞與擺振方向加載幅值與加載相位差處于復雜的變化過程中，這對載荷控制以及后續的損傷分析都造成很大的困難。如果能夠采用某種方式，實現測試葉片在揮舞方向與擺振方向的頻率值相同或保持在一個所希望的比例關系上，則對疲勞載荷的加載實施與后續損傷分析，提供很大的益處。

發明內容

(一)要解決的技術問題

針對現有風力機葉片雙軸疲勞測試中葉片揮舞與擺振方向頻率不一致或揮舞方向與擺振方向固有頻率比值與所希望的比例關系值不一致(這里所說的希望的比例關系值，取決于具體的疲勞測試設計方案，因不同的葉片疲勞測試要求而有所不同)的問題，本發明旨在提供一種應用于風力葉片疲勞測試中的葉片結構頻率調節方法，通過在測試葉片的揮舞或擺振方向增設彈簧構件，實現對葉片結構頻率的改變。為了準確實現揮舞與擺振方向頻率值達到所希望的比例關系，本發明將葉片結構動力學數值計算與彈簧參數優化設計相結合，建立待測風力機葉片的動力學數學模型，計算其結構振動特性，并在葉片數學模型若干位置增加彈簧單元模型，以彈簧剛度與布置位置作為優化變量，將結構動力計算與優化算法相結合，獲得滿足優化目標的彈簧位置與彈簧剛度配置參數，最終實現葉片在所希望的不同方向頻率比值關系。本發明的上述葉片結構頻率調控方法也可以滿足葉片單軸疲勞測試時，調整結構頻率適應加載頻率的要求。

(二)技術方案

本發明為實現其技術目的所采用的技術方案為：