[发明专利]兆瓦级风力发电复合材料叶片疲劳寿命的预测方法

说明书

本发明公开了一种兆瓦级风力发电复合材料叶片疲劳寿命的预测方法，其包括：建立复合材料温度场计算模型；开发叶片‑风速有限元耦合动力学模型；开发风速‑裂纹‑缺口的相互作用模型；对上述模型中的应力时程曲线相加，得到组合载荷下叶片各部的应力时程曲线；用雨流计数法对应力时程曲线进行计算，得到组合载荷下叶片各部二维疲劳应力谱；建立等幅疲劳中值S_n‑S_m‑N曲面，根据Miner线性疲劳累积损伤准则，基于二维疲劳应力谱对叶片的疲劳寿命进行估算，得出叶片的疲劳寿命。本发明具有提高了风力发电复合材料叶片的疲劳寿命预测精度，提高其工程应用价值等特点。

技术领域

本发明涉及风力发电机叶片疲劳寿命预测领域。更具体地说，本发明涉及一种兆瓦级风力发电复合材料叶片疲劳寿命的预测方法。

背景技术

现有的风力机叶片疲劳寿命的预测，主要通过测量叶片表面风速，计算叶片所受载荷，或者在风力机上加装传感器来获得疲劳载荷，确定应力循环次数，最后得到疲劳寿命。然而，该预测方法未对疲劳裂纹和外物损伤缺口所带来的破坏性进行考虑，致使最终预测的疲劳寿命存在较大误差，不符合实际生产的需要，降低了叶片疲劳寿命预测在工程应用中的价值。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种兆瓦级风力发电复合材料叶片疲劳寿命的预测方法，其通过综合考虑风速中的风速、叶片的自重、叶片的疲劳裂纹以及外物损伤缺口的相互作用，减小复合材料叶片疲劳寿命的预测误差，提高其预测结果在实际生产中应用价值。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种兆瓦级风力发电复合材料叶片疲劳寿命的预测方法，其包括：

步骤一、根据气象局数据，结合复合材料温度场计算模型进行叶片温度场的计算，得到时间-叶片温度及温度梯度荷载时程曲线；

步骤二、开发叶片-风速-风向有限元耦合动力学模型，采用预处理共轭梯度法求解耦合系统振动方程，在微机上进行叶片-风速-风向耦合系统动力仿真计算，结合步骤一中时间-叶片温度及温度梯度荷载时程曲线，得到时间梯度温度荷载下叶片各部的应力时程曲线；

步骤三、开发考虑叶片疲劳裂纹、外物损伤缺口与风速相互作用的风速-裂纹-缺口的相互作用模型，用所述风速-裂纹-缺口的相互作用模型进行计算风速作用下叶片应力时程曲线计算，结合步骤一中时间-叶片温度及温度梯度荷载时程曲线的计算结果，得到风速-裂纹-缺口作用下叶片上各部的应力时程曲线；

步骤四、用叶片-风速-风向有限元耦合动力学模型进行叶片自重荷载下叶片各部应力时程曲线的计算，得到叶片自重载荷下叶片各部应力时程曲线；

步骤五、步骤二、步骤三、步骤四中的应力时程曲线相加，得到组合载荷下叶片各部的应力时程曲线；

步骤六、用雨流计数法对步骤五中的应力时程曲线进行计算，得到组合载荷下叶片各部二维疲劳应力谱；建立等幅疲劳中值S_n-S_m-N曲面，根据Miner线性疲劳累积损伤准则，基于二维疲劳应力谱对叶片的疲劳寿命进行估算。

优选的是，从气象局网站下载包括年、月、日、平均风速、平均气温、日最低气温、日最高气温、日最大风速；借鉴工程结构物温度场研究成果，建立复合材料温度场计算模型。