風電機組載荷測試及壽命預測技術的研究.pdf

1、機械載荷測試是風電機組型式試驗中最重要的項目，壽命預測是關鍵部件安全設計中最重要的步驟。載荷測試和壽命預測是風電機組承載部件進行型式試驗有可能涉及到的最復雜、最花費精力的測試項目。IEC的載荷測試方法已經(jīng)發(fā)布了約10年沒有進一步變化，近幾年GL和歐美的檢驗專家都在不斷審視當前通用載荷測試方法的適用性，IEC的專家也有提出把壽命預測方法加到現(xiàn)行標準中的建議，這就需要討論預測時是采用線性損傷累積方法還是非線性損傷累積的方法問題。
　　

2、本文從工程實際中遇到的問題出發(fā)，針對風電機組關鍵部件——風輪葉片的疲勞載荷和壽命預測問題進行了分析，首先使用行業(yè)中通行的軟硬件搭建了具有通用意義的風電機組葉片疲勞載荷數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，隨后依據(jù)IEC和國家標準方法，按照等效載荷的需求，使用傳統(tǒng)線性損傷累積方法對風力機載荷部件的疲勞壽命進行了預測，并初步分析了系統(tǒng)預測誤差，順帶概括了非線性預測在系統(tǒng)測試中的可行性方案?；谄诹鸭y擴展理論，研究了復合材料層壓結構葉片的非線性研究現(xiàn)狀，提出

3、了基于殘余強度復合材料層壓結構葉片疲勞壽命預測理論方法以及具體殘余強度因子的確定方法。最后結合材料特性和整機載荷測試數(shù)據(jù)，選擇某兆瓦級復合材料層壓結構風力機葉片進行了基于殘余強度的非線性損傷累積方法進行了壽命預測實踐。具體研究內容如下：
　?。?）首先描述了壽命預測對象的數(shù)據(jù)來源——使用IMC公司軟硬件搭建的行業(yè)通用型風電機組葉片疲勞載荷數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。然后根據(jù)國家標準對疲勞載荷譜進行了線性損傷累積方法的計算，得到了其壽命周期

4、內的等效載荷譜，隨后對預測壽命數(shù)據(jù)進行了誤差分析；最后對非線性損傷累積的測試方案進行了初步探討，提出了材料特性對非線性方法的需求，再根據(jù)誤差提出線性方法分析所遇到的問題。
　?。?）從材料特性的角度闡述了線性方法的不合理性，詳細闡述了行業(yè)中復合材料層壓結構非線性疲勞壽命預測的應用現(xiàn)狀。從理論角度分析研究了殘余強度非線性損傷累積方法在分析各向異性復合材料層壓結構的優(yōu)越性。從材料內部結構角度研究了殘余強度非線性壽命預測公式的演變過程，

5、然后完整歸納提出了基于殘余強度的復合材料層壓結構風力機葉片壽命預測的理論公式。
　?。?）研究了結構材料和整機的加載方法，詳細描述了層壓結構特性參數(shù)的采集過程和試驗過程，按照材料常幅加載——變幅加載——二三模塊譜加載——WISPER譜加載的順序得到獲得修正的復合材料層壓結構的S-N曲線。研究了整機模態(tài)參數(shù)的獲得方法，隨后指明了在Bladed軟件中模擬葉片整機載荷測試過程和疲勞壽命累積和預測的過程。
　　（4）研究了基于殘余強

6、度復合材料層壓結構風力機葉片壽命預測結果的精度問題。通過典型整機葉片測試數(shù)據(jù)進行了誤差分析嘗試。
　?。?）通過分析當前國內外風力機疲勞載荷測試機構的現(xiàn)狀、國內外風電機組相關認證、檢測機構的能力對比情況，研究了國家標準中增加壽命預測指標的可行性。
　　總結上述內容，本文在復合材料層壓結構風力機葉片疲勞壽命預測方面有以下創(chuàng)新點：
　?。?）總結并提出了切實可行的實測載荷數(shù)據(jù)與基于Bladed模擬載荷數(shù)據(jù)對比改進兆瓦級復合

7、材料層壓結構風力機葉片設計的一套方法。
　?。?）完整總結提出了基于殘余強度的復合材料層壓結構風力機葉片疲勞載荷和壽命預測方法，并通過整機葉片實測載荷數(shù)據(jù)與模擬載荷數(shù)據(jù)對比的方法驗證了該壽命預測方法的有效性。
　?。?）依據(jù)材料和結構測試通用規(guī)則，搭建并完成了一套從材料到整機實測的風力機葉片的基本特性參數(shù)試驗系統(tǒng)，并通過模型和實測數(shù)據(jù)兩個方面對基于殘余強度的復合材料層壓結構風力機葉片疲勞載荷和壽命預測方法進行了驗證。