[发明专利]一种基于等强度原则的水平轴风力机叶片缩比模型静力测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种水平轴风力机叶片在静态载荷作用下结构性能的测试评估方法。

背景技术

风电叶片在极限载荷作用下发生损伤破坏问题是风电叶片设计、制造、运行中所关注的一项重要内容。在风电叶片设计中，一般都要求风电叶片能满足20年的使用寿命。在如此长的服役期间和恶劣的工作环境下，风电机组经常要在多种极限载荷作用下运行，严重影响了风电机组安全运行的可靠性和使用寿命。而恶劣的工作环境，特殊的材料性质，以及结构与工艺所带来的种种问题，给叶片极限载荷下性能评估带来相当大的难度。

由于风电叶片结构及运行情况的特殊性，其它行业已建立的工程实践经验和知识不能有效的应用到风电机组叶片的性能评估中来。进行叶片在极限载荷作用下的静力测试可以提供对设计的可靠确认。对于新设计、新工艺、新材料的风电叶片，静力测试是保证叶片质量关键的一环。通过测试，可以将测量数据与设计的数据进行比较，以掌握叶片的结构性能。并且可以利用测试的结果改进与优化结构设计。

然而，目前所开展的叶片静力测试方法大都为全尺寸叶片测试，试验叶片的制作与试验周期很长，而且大都采用大型试验设备进行，成本很高。降低叶片测试成本，缩短测试周期，对于叶片行业具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有叶片静力测试的以上问题，本专利提出一种利用叶片缩比模型静力测试试验，代替全尺寸叶片静力测试的叶片静力性能测试评估方法。该方法具有周期短、成本低等优点。此外，本方法中缩比模型试验所需的设备与实验步骤，与现有全尺寸叶片静力测试方法相似。该方法即可利用现有国内外已有的叶片静态检测设施开展测试，也可采用规模形式较小的试验设备开展，因此在设备投资上也是比较经济的。

（一）要解决的技术问题

针对目前风力机叶片静力测试测试周期长、成本高等缺点，本发明提出了一种缩比模型静力测试方法，通过对缩比模型结构与试验载荷准确的设计与计算，可保证缩比模型测试具有比较准确的测试结果。采用该方法进行静力测试，可实现周期短、成本低、能够获得比较准确的叶片静态加载情况下结构性能数据等优点。

（二）技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种利用缩比模型试验替代全尺寸风力机叶片静力测试的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）依据所要测试评估的原型全尺寸叶片结构特征，设计并制作一个结构尺寸等比例缩小的缩尺寸模型叶片，并以该叶片作为试验叶片；

2）依据等强度原则，（即缩尺寸模型叶片与原型全尺寸叶片在各自的试验载荷作用下，应保持相同的结构应力分布），将原型全尺寸叶片的试验载荷转化为缩尺寸模型叶片的试验载荷。其机理与方法如下：

为了实现用缩比模型试验替代全尺寸叶片静力试验，首先要确定两个试验的相似准则。由于静力试验的核心目标是研究叶片在外部极限载荷作用下，叶片是否发生损坏，以及一旦发生损坏，损坏将以何种模式存在。因此，静力试验的要求是要能够实现对外部极限载荷作用下，叶片结构应力分布情况的准确描述。根据这一要求，在本发明中，缩比模型试验载荷确定的原则为，缩比模型与原型叶片在各自的试验载荷作用下，应保持相同的结构应力分布。

然而，要实现这一目标，首要解决的是外部静力载荷与叶片应力分布关系的建立问题。由于风电叶片是由外部壳体与内部大梁组成的复合材料结构体，沿叶片展向，外部壳体的形状、尺寸与铺层结构都在发生变化，而内部大梁的结构形状、尺寸与铺层结构也都随之发生变化。这种复杂的结构形式，难以采用解析方法建立载荷与叶片应力分布的数学关系。这也成为实现缩比模型试验替代全尺寸叶片试验的难点。

本发明则提出利用数值分析的方法，确定缩比模型试验的载荷。其方法如下：

（a）采用有限元方法，分别建立全尺寸叶片与缩比模型的有限元模型；

（b）对两个模型分别定义一致的边界条件；例如，由于开展台架疲劳试验时，叶片的结构边界条件只包括叶根处的约束，因此有限元模型也只需定义叶根约束即可。

（c）根据设计部门所提供的全尺寸叶片试验载荷,施加到全尺寸叶片有限元模型上，一般为沿叶片展向布置的几处集中载荷；并据此计算在该载荷作用下叶片结构的应力分布情况。

（d）将（c）中全尺寸叶片各加载点处的载荷，按照一个相同的比例缩小，（例如按照缩比模型与原型叶片的尺寸缩小比例值），并将缩小后的载荷施加到缩比模型的有限元模型上，采取与（c）中一致的计算方法，计算在该载荷作用下叶片结构应力分布情况。