風(fēng)電葉片作為風(fēng)力機(jī)的重要組成部件.在風(fēng)場的實際運(yùn)行中承受著不斷變化的風(fēng)載荷作用.惡劣的氣候環(huán)境和葉片長年累月的不斷運(yùn)行.使得風(fēng)電葉片的疲勞壽命備受人們關(guān)注。為檢驗風(fēng)電葉片的疲勞使用壽命是否能達(dá)到設(shè)計要求，國外學(xué)者和專家已做過大量的工作。相比之下.國內(nèi)在這方面的研究和試驗相對較少。

通常風(fēng)電葉片的認(rèn)證試驗分為靜力試驗認(rèn)證和疲勞試驗認(rèn)證兩方面.靜力試驗認(rèn)證主要檢驗葉片的質(zhì)量、固有頻率、極限載荷下的強(qiáng)度極限和穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計要求.而疲勞試驗則檢驗葉片的結(jié)構(gòu)、鋪層和粘接設(shè)計是否合理.是否能達(dá)到預(yù)設(shè)計的葉片使用年限.同時也可發(fā)現(xiàn)在葉片生產(chǎn)制造過程中的一些制造缺陷.

根據(jù)國外已進(jìn)行的試驗和經(jīng)驗.風(fēng)電葉片的疲勞試驗主要分為雙軸和單軸疲勞加載試驗.雙軸加載疲勞試驗可同時進(jìn)行揮舞和擺振兩個方向的試驗.單軸加載試驗則每次只進(jìn)行揮舞或擺振方向的試驗.可見前者比后者對葉片的檢驗更加節(jié)省時間和節(jié)省相應(yīng)的試驗費(fèi)用.但試驗設(shè)備要求更高、試驗難度更大。結(jié)合國內(nèi)自身條件以及中國船級社葉片疲勞試驗規(guī)范的要求.此次葉片的疲勞試驗只進(jìn)行揮舞方向的疲勞試驗。本文就DF64A風(fēng)電葉片進(jìn)行的單點(diǎn)單軸恒幅值加載方式下的疲勞試驗進(jìn)行疲勞試驗載荷設(shè)計方法研究.

1疲勞實驗的目的及試驗載荷確定的原則

葉片在實際運(yùn)行中疲勞載荷譜非常復(fù)雜.圖1(以My為例)僅是一個截面的疲勞載荷譜。每個截面疲勞載衙譜不同，同時同一個截面振幅都在不斷變化且振動次數(shù)非常多(20年的壽命內(nèi)).無法模擬.因此必須采用簡化加速方法在較短的時間內(nèi)等效模擬葉片的實際運(yùn)行情況.檢驗試驗葉片是否能夠安全運(yùn)行。即對葉片僅施加疲勞載荷Mv，所加載荷的等效損傷與葉片運(yùn)行壽命內(nèi)的等效損傷相同.檢驗葉片在試驗中是否破壞。

1.1關(guān)注截面位置

凼為疲勞試驗僅能在局部加載.僅能關(guān)注一個截面.根據(jù)疲勞強(qiáng)度分析.選取疲勞安全裕度最小的截面作為疲勞試驗驗證截面.

1.2試驗次數(shù)的選取

為r使葉片的試驗時間不能太長.也避免由于次數(shù)太少導(dǎo)致試驗不能反映真實情況.一般確定試驗次數(shù)為Ns=5×106～1x107次(根據(jù)船級社規(guī)范要求)，試驗的頻率與葉片一階揮舞頻率相近，在該頻率之下進(jìn)行疲勞載荷的激振試驗.這樣在最長3-4個月就能夠完成葉片疲勞試驗。

1. 3疲勞載荷計算的關(guān)注點(diǎn)

將損傷最大的位置作為疲勞計算的關(guān)注點(diǎn)，為了便于計算與測試之間的相互關(guān)聯(lián).取損傷最大截面的葉片外層應(yīng)變?yōu)槠谟嬎愕年P(guān)注點(diǎn).以便與測試結(jié)果對比.另外.通過有限元的計算可以分析外層應(yīng)變與其他各層應(yīng)變之間的差異。

2 葉片的疲勞損傷計算

2.1葉片的有限元模型

建立DF64A葉片疲勞損傷計算的葉片有限元模型.有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。最終的計算模型需要對葉片有限元模型進(jìn)行復(fù)合材料鋪層.并在葉根處施加固定支撐約束模擬葉片的工作狀況。

2.2計算葉片的疲勞損傷最大作用系數(shù)

在葉尖施加揮舞、擺振和軸向三個方向的單位載荷.利用MSC.Patran軟件計算出葉片有限元模型各個截面的應(yīng)變值.引入Bladed軟件計算得m的疲勞載荷譜(即Markov矩陣)計算得到疲勞載荷作用下葉片各截面的應(yīng)變值.利用玻璃纖維復(fù)合材料疲勞損傷的計算理論.運(yùn)用自編的Mat—lab軟件計算并繪制出葉片各截面疲勞損傷的最大作用系數(shù)(見圖3)。

從圖3中可以看出.葉片13.5m截面主粱帽部分最容易產(chǎn)生疲勞破壞.根據(jù)葉片疲勞損傷的計算結(jié)果結(jié)合葉片13.5m截面的有限元網(wǎng)格.可進(jìn)一步確定出葉片最易疲勞損壞的位置為13.5m截面吸力側(cè)主梁帽中心位置靠近后緣100mm處的最外層纖維方向.于是可確定該位置為葉片疲勞試驗危險截面的危險點(diǎn)(定義為疲勞載荷設(shè)計點(diǎn))，同時將該位置最外層的纖維方向應(yīng)變作為設(shè)計疲勞試驗載荷基準(zhǔn)值.

由于本次疲勞試驗采用單點(diǎn)單軸的加載試驗方式進(jìn)行揮舞方向試驗.所以在確定疲勞載荷設(shè)計點(diǎn)之后，還需計算葉片在單位彎矩My作用下.該點(diǎn)的纖維方向應(yīng)變值，以便進(jìn)行疲勞載荷設(shè)計。

3 計算疲勞試驗載荷

3.1計算疲勞載荷設(shè)計點(diǎn)的疲勞損傷

使用有限元軟件MSC.Patran計算出在單位彎矩My作用下，疲勞載荷設(shè)計點(diǎn)的應(yīng)變值研(纖維方向)，見表l。

將計算出的單位載荷下的應(yīng)變值乘上載荷幅值得到相應(yīng)循環(huán)載荷作用下的應(yīng)變動態(tài)幅值&.，再將單位載荷下的應(yīng)變值乘上載荷均值得到循環(huán)載荷作用下的應(yīng)變均值S。。利用玻璃纖維復(fù)合材料疲勞壽命計算公式.可以得到疲勞載荷設(shè)計點(diǎn)在疲勞載荷My作用下的疲勞壽命次數(shù)N:

確定出葉片的疲勞壽命次數(shù)后.則可根據(jù)Mjner線性損傷理論計算得到疲勞載荷設(shè)計點(diǎn)的疲勞損傷D值：

由此計算出疲勞載荷設(shè)計點(diǎn)的疲勞損傷為D=5.14E一2。

3.2計算恒幅值疲勞載荷下的應(yīng)變均值和幅值

由于實際葉片在風(fēng)場運(yùn)行時.其疲勞載荷為變幅載荷譜.而實際試驗過程中所施加的疲勞載荷為等效的恒幅值疲勞載荷.因此.需要將各個工況下的變幅疲勞載荷轉(zhuǎn)換成恒幅值的單點(diǎn)單軸疲勞加載方式。

3.3計算疲勞試驗的試驗(激振)載荷

由疲勞理淪分析可知.疲勞載荷設(shè)計點(diǎn)的應(yīng)變均值由葉片自重和配重產(chǎn)生.應(yīng)變動態(tài)幅值由作用在葉片上的動態(tài)激振力產(chǎn)生。所以根據(jù)此對應(yīng)關(guān)系.可進(jìn)一步確定出疲勞試驗時作用在葉片上的動態(tài)激振力。

考慮到葉片之間的分散系數(shù)和疲勞計算公式的不確定性，實際計算疲勞試驗載荷時，需考慮上1.155的疲勞試驗載荷系數(shù)(見表5)。

根據(jù)試驗規(guī)范的要求和該葉片疲勞危險截面的位置.以及減少疲勞試驗時間的目的.最終將葉片截斷為23m.并選撣疲勞試驗載荷的加載位置在葉片的21m截面.此時計算出的激振力靜態(tài)幅值和配重見表6所示.

4 靜態(tài)載荷的有限元驗證

將上面計算得到的靜態(tài)數(shù)據(jù)與試驗有限元方法計算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比.以確定利用上述理論計算的正確性。按揮舞正方向和揮舞負(fù)方向兩種T況.將上面得到的疲勞試驗靜態(tài)加載參數(shù)輸入到1.0MW葉片的有限元模型里進(jìn)行計算.則得到的疲勞載荷設(shè)計點(diǎn)的應(yīng)變值見圖4所示。

表7給出了根據(jù)疲勞理論計算出的疲勞載荷設(shè)計點(diǎn)應(yīng)變值和有限元計算值之間的對比.

根據(jù)表7的對比結(jié)果可以知道疲勞理論汁算得到的疲勞試驗載荷應(yīng)變值是合理的。

5 疲勞試驗的動態(tài)加載載荷

由于風(fēng)電葉片住疲勞試驗中是一個往復(fù)振動.即葉片在疲勞試驗過程是進(jìn)行動力學(xué)運(yùn)動的。為了在疲勞試驗中盡量增大疲勞載荷的動態(tài)激振力.為此，在疲勞試驗過程中，其疲勞載荷的激振頻率則必須運(yùn)行在葉片揮舞方向1階固有頻率附近.

因此.此時需要考慮葉片疲勞動力模型的動力學(xué)放大效應(yīng).經(jīng)過反復(fù)的動力學(xué)模型有限元計算分析.最終確定疲勞試驗動態(tài)加載載荷如表8所示表9是在相應(yīng)疲勞試驗載荷下的疲勞損傷值。

根據(jù)該試驗載荷的設(shè)計結(jié)果.在3個月可完成5.00E+06次的葉片疲勞試驗。該實驗已經(jīng)完成并通過船級社的見證。

6 結(jié)論

本文針對1.0MW風(fēng)電葉片DF64A疲勞試驗.按照IEC規(guī)范和中國船級社的要求.按單點(diǎn)單軸恒幅值加載方式的要求，采用疲勞理論計算和有限元軟件計算相結(jié)合的方法.設(shè)計出了該DF64A風(fēng)電葉片疲勞試驗時的疲勞動態(tài)加載載荷(包括激振頻率、加載幅值、配置質(zhì)量等).闡述了風(fēng)電葉片在單點(diǎn)單軸恒幅值加載方式下.疲勞試驗載荷的一種設(shè)計思路和方法.可以在較短的時間之內(nèi)模擬葉片的實際運(yùn)行情況.為風(fēng)電葉片的疲勞試驗奠定了一定基礎(chǔ)。