[發(fā)明專利]基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機葉片優(yōu)化設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910853643.3
• 申請日: 2019-09-10
• 公開（公告）號: CN110781618B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡偉飛;王葉青;劉振宇;程錦;譚建榮
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14;G06F119/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

本發(fā)明公開一種基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方法，該方法對于風(fēng)力發(fā)電機復(fù)合材料葉片進行了真實閃電打擊的靜電學(xué)分析與疲勞分析保證其設(shè)計可靠性，并結(jié)合葉片的成本進行最優(yōu)化設(shè)計。本發(fā)明創(chuàng)新性地提出了參數(shù)化曲折閃電步進導(dǎo)閃模型來模擬自然界真實的閃電現(xiàn)象，并提出了閃電打擊導(dǎo)致的介質(zhì)擊穿失效與非比例多軸疲勞失效的計算公式，優(yōu)化計算后可以得到復(fù)合材料中各層材料的最佳厚度，在保證整體成本不會過高的情況下，有效地提升風(fēng)力發(fā)電機復(fù)合材料葉片的閃電安全系數(shù)與葉片預(yù)期壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機葉片優(yōu)化領(lǐng)域，尤其涉及一種基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)

目前，閃電打擊造成的葉片損傷占風(fēng)力發(fā)電機失效的23.4％，而疲勞損傷是戶外復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要失效形式，故閃電打擊與疲勞損傷的分析對于風(fēng)力發(fā)電機復(fù)合材料葉片非常重要。在該方面目前缺乏有效的解決方案，本發(fā)明結(jié)合參數(shù)化曲折閃電步進導(dǎo)閃模型與非比例多軸疲勞失效進行風(fēng)力發(fā)電機復(fù)合材料葉片的優(yōu)化設(shè)計。現(xiàn)有的簡易垂直直線型閃電模型并沒有體現(xiàn)真實閃電的曲折性。傳統(tǒng)的疲勞損傷計算中，為計算風(fēng)力發(fā)電機復(fù)合葉片的等效應(yīng)力/應(yīng)變推導(dǎo)出計算公式，根據(jù)應(yīng)力－壽命曲線和疲勞損傷線性累積假說，運用該公式進行疲勞損傷/壽命預(yù)測。該疲勞損傷計算方法沒有獲取風(fēng)機復(fù)合葉片的詳細(xì)疲勞損傷與壽命分布輪廓，同時沒有考慮復(fù)雜載荷調(diào)節(jié)下的非比例多軸應(yīng)力狀況，計算不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機復(fù)合材料葉片易受閃電打擊與葉片預(yù)期壽命較低的特點，提出了一種基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方法，該方法結(jié)合曲折閃電打擊與疲勞損傷計算。本發(fā)明通過對于自然閃電的有效建模與疲勞損傷的準(zhǔn)確計算，有效地提升了風(fēng)力發(fā)電機復(fù)合材料葉片的閃電安全系數(shù)與葉片預(yù)期壽命。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風(fēng)機復(fù)合葉片優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，該方法考慮曲折閃電打擊帶來的介質(zhì)擊穿現(xiàn)象以及非比例多軸復(fù)雜應(yīng)力狀況下的疲勞損傷，具體包括如下步驟：

S1：將風(fēng)力發(fā)電機復(fù)合材料葉片劃分為葉片根部、葉片前緣、抗剪腹板前區(qū)域、翼梁帽、抗剪腹板后區(qū)域、葉片后緣、葉尖七個部分，并將每個部分劃分為多個嵌板；確定設(shè)計變量個數(shù)，每個設(shè)計變量對應(yīng)若干個嵌板；

S2：建立曲折閃電步進導(dǎo)閃模型；

S2.1：在球坐標(biāo)系中，根據(jù)方位角θ、相鄰兩線段的夾角φ、每段線段的長度ρ_C三個參數(shù)創(chuàng)建新線段，并計算曲折閃電步進導(dǎo)閃尖端與風(fēng)機葉片尖端的距離；然后根據(jù)峰值電流I_peak，計算閃電打擊距離其中，θ的取值遵循0～360°的均勻分布，φ的取值遵循平均值為180°的高斯分布，ρ_C的取值遵循80m～100m的均勻分布，I_peak的取值遵循對數(shù)正態(tài)分布；

S2.2：當(dāng)曲折閃電步進導(dǎo)閃尖端與風(fēng)機葉片尖端的距離小于Ls時，認(rèn)為閃電步進導(dǎo)閃有效，即認(rèn)為峰值電流I_peak有效，進入步驟S3，若無效，則進入步驟S2.3；

S2.3：若曲折閃電步進導(dǎo)閃尖端距離地面的高度低于風(fēng)機輪轂中心高度，則重復(fù)S2，創(chuàng)建新的曲折閃電步進導(dǎo)閃模型，否則，重復(fù)S2.1，在當(dāng)前曲折閃電步進導(dǎo)閃模型中創(chuàng)建新線段；

S3：獲得風(fēng)力發(fā)電機葉片周圍電場情況，根據(jù)計算沿著風(fēng)機葉片的電場強度；

S4：判斷曲折閃電步進導(dǎo)閃模型建立的個數(shù)，當(dāng)不小于1000個時，計算沿著風(fēng)機葉片的平均電場強度；若小于1000個時，則返回S2；

S5：通過下述分別計算介質(zhì)擊穿強度E_b和閃電安全系數(shù)L(x)

E_b＝5.3·10⁴/d+8.0·10⁶