本發(fā)明涉及機(jī)械行業(yè)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，涉及風(fēng)力機(jī)葉片疲勞試驗(yàn)中的載荷配置，尤其涉及一種風(fēng)力機(jī)葉片共振式疲勞試驗(yàn)中的載荷配置方法，該方法將葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算與配重塊優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，進(jìn)行載荷方案的確定，可實(shí)現(xiàn)周期短、成本低、能夠精確地實(shí)現(xiàn)葉片的加載效果。

背景技術(shù)：

風(fēng)電葉片疲勞損傷問題是風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行中所關(guān)注的一項(xiàng)重要內(nèi)容。導(dǎo)致疲勞破壞的不確定因素很多，疲勞性能很難單純依賴計(jì)算得到，進(jìn)行全尺寸葉片的疲勞測(cè)試可以提供對(duì)設(shè)計(jì)的可靠確認(rèn)。在現(xiàn)有疲勞試驗(yàn)中，所采用的加載方式有多種方式。其中常用的一種方法是共振式加載方法，如圖1所示。這種方法是試驗(yàn)葉片2的葉根部固定安裝在試驗(yàn)臺(tái)基座1，在試驗(yàn)葉片2上安置一處或多處加載裝置3(如配重質(zhì)量塊)，通過電動(dòng)或液壓等激振裝置4(激振裝置4設(shè)置在激振裝置基座5上)，以接近葉片固有頻率的加載頻率驅(qū)動(dòng)葉片進(jìn)行周期振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)疲勞測(cè)試的目的。由于利用了葉片結(jié)構(gòu)的共振效應(yīng)，這種方法具有耗能較少的優(yōu)點(diǎn)，適合于大型葉片長期疲勞實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性要求。

在疲勞試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)載荷是由試驗(yàn)葉片的業(yè)主已經(jīng)給定的，在后續(xù)試驗(yàn)方案的制定中，一個(gè)關(guān)鍵問題是如何制定合理的加載方案，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)載荷。葉片在實(shí)際運(yùn)行中承受的是氣動(dòng)、慣性等多種載荷的作用，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)載荷是對(duì)這些載荷進(jìn)行分析處理而得到的。而共振法疲勞試驗(yàn)時(shí)，采用的是離散的加載位置進(jìn)行加載，因此如何在葉片的不同位置布置加載及配重質(zhì)量，是能否滿足葉片在多個(gè)展向截面位置都能達(dá)到或接近試驗(yàn)設(shè)計(jì)載荷的關(guān)鍵。現(xiàn)有的工程應(yīng)用中，大都是采用試湊的方法進(jìn)行，即基于以往經(jīng)驗(yàn)在葉片不同位置布置配重，通過試湊的方法調(diào)整配重塊的質(zhì)量與位置，并通過布置在不同截面的應(yīng)變傳感器，觀察測(cè)試截面的載荷是否能達(dá)到或接近目標(biāo)載荷，這種方法不僅耗時(shí)長，經(jīng)濟(jì)性差，而且精度不好，很難達(dá)到理想的加載效果，尤其很難實(shí)現(xiàn)多個(gè)葉片截面的載荷都符合或接近目標(biāo)載荷的目標(biāo)，存在著難以獲得葉片實(shí)際壽命情況等缺點(diǎn)。

針對(duì)現(xiàn)有共振法疲勞測(cè)試的以上問題，本專利提出一種針對(duì)共振法葉片疲勞測(cè)試的載荷優(yōu)化調(diào)整方法。通過建立所要測(cè)試葉片的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算其結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，并在葉片數(shù)學(xué)模型若干位置增加配重塊模型，以配重塊質(zhì)量與布置位置作為優(yōu)化變量，將結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算與優(yōu)化算法相結(jié)合，獲得滿足優(yōu)化目標(biāo)的配重位置與質(zhì)量配置參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)所希望的載荷加載方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

針對(duì)目前采用共振加載方式的風(fēng)力機(jī)葉片疲勞測(cè)試中，實(shí)際施加的疲勞載荷與所希望的疲勞目標(biāo)載荷難于保持一致，現(xiàn)有的試湊法存在耗時(shí)長、經(jīng)濟(jì)性差、精度低、難以達(dá)到理想效果的缺陷和不足，本發(fā)明旨在提供一種風(fēng)力機(jī)葉片共振式疲勞試驗(yàn)載荷配置方法，將葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算與配重塊優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，通過建立待測(cè)風(fēng)力機(jī)葉片的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算其結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，并在葉片數(shù)學(xué)模型若干位置增加配重塊模型，以配重塊質(zhì)量與布置位置作為優(yōu)化變量，將結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算與優(yōu)化算法相結(jié)合，獲得滿足優(yōu)化目標(biāo)的配重位置與質(zhì)量配置參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)所希望的載荷加載方案，可實(shí)現(xiàn)比較快速、精準(zhǔn)地確定葉片載荷施加方案。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)其技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為：

一種風(fēng)力機(jī)葉片共振式疲勞試驗(yàn)載荷配置方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

ss1.根據(jù)待測(cè)試風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立待測(cè)試葉片結(jié)構(gòu)的有限元數(shù)值模型；

ss2.根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片共振式疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)，風(fēng)力機(jī)葉片在試驗(yàn)臺(tái)上的固定情況，對(duì)步驟ss1中的待測(cè)試葉片有限元數(shù)值模型施加相應(yīng)的約束條件；

ss3.對(duì)步驟ss2中施加約束條件后的待測(cè)試葉片有限元數(shù)值模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，獲得該待測(cè)試葉片結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型，所述模態(tài)振型包括各階次模態(tài)的力矩分布曲線；

ss4.根據(jù)葉片廠商所提供的風(fēng)力機(jī)葉片疲勞實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)載荷，將其繪制成沿葉片展向分布的目標(biāo)載荷力矩曲線。

ss5.比較步驟ss3中得到的沿葉片展向分布的各階次模態(tài)的力矩分布曲線與步驟ss4中的目標(biāo)載荷力矩曲線，分析二者差異性，并通過后續(xù)的步驟ss6安置配重塊及優(yōu)化措施，改善兩條曲線的相似程度，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)載荷達(dá)到或接近目標(biāo)載荷的目的。

ss6.在待測(cè)試葉片的有限元數(shù)值模型上，沿葉片展向選擇若干位置設(shè)置配重，以各配重所在單元節(jié)點(diǎn)的位置和配重質(zhì)量為優(yōu)化變量，以待測(cè)試葉片結(jié)構(gòu)的模態(tài)載荷力矩曲線與目標(biāo)載荷的相似度的取值作為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化計(jì)算獲得滿足優(yōu)化目標(biāo)的配重位置與配重質(zhì)量；

通過上述步驟，確定在實(shí)際葉片上的配重位置與配重質(zhì)量，達(dá)到優(yōu)化疲勞試驗(yàn)載荷的目的。

ss7.將步驟ss6得到的滿足優(yōu)化目標(biāo)的配重方案，應(yīng)用于實(shí)際待測(cè)葉片上，并通過調(diào)整激勵(lì)裝置的輸出功率，實(shí)現(xiàn)葉片所要求的的目標(biāo)載荷。

本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)葉片共振式疲勞試驗(yàn)載荷配置方法，其工作原理為：

共振法進(jìn)行疲勞加載，其載荷控制的核心內(nèi)容包括調(diào)頻與調(diào)幅兩部分，調(diào)頻是通過調(diào)整激振頻率，實(shí)現(xiàn)葉片在某一階次的共振。調(diào)幅是調(diào)整激勵(lì)能量，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)幅值的改變。當(dāng)通過頻率調(diào)整實(shí)現(xiàn)了葉片在某一模態(tài)的共振時(shí)，此時(shí)葉片沿展向不同截面的力矩比例關(guān)系，等同于當(dāng)前階各截面模態(tài)力矩的比例關(guān)系，如果該比例關(guān)系與各截面的目標(biāo)載荷力矩比例關(guān)系相一致或接近，只需要通過調(diào)整試驗(yàn)激勵(lì)裝置的輸出功率，使得葉片某一截面的測(cè)試載荷符合該截面的目標(biāo)載荷，則其它各截面的測(cè)試載荷也將與相應(yīng)的目標(biāo)載荷相符合。基于這一思想，在葉片若干位置上安置配重塊，通過采用優(yōu)化算法，進(jìn)行配重位置與配重質(zhì)量的優(yōu)化計(jì)算，調(diào)整葉片共振測(cè)試時(shí)的模態(tài)振型下的力矩曲線，實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)力矩曲線相一致或接近這一目標(biāo)。

優(yōu)選的，步驟ss1中，所述有限元數(shù)值模型為一維梁模型、二維殼模型、或二維與三維相結(jié)合的有限元模型。

優(yōu)選的，步驟ss5中，至少通過比較步驟ss3中得到的一階模態(tài)力矩分布曲線與步驟ss4中的目標(biāo)載荷力矩曲線，分析二者差異性，并通過后續(xù)的步驟ss6安置配重塊及優(yōu)化措施，改善兩條曲線的相似程度，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)載荷達(dá)到或接近目標(biāo)載荷的目的。

優(yōu)選的，步驟ss6中，根據(jù)實(shí)際葉片測(cè)試環(huán)境條件及測(cè)試成本等情況綜合考慮，確定配重位置的數(shù)量和每一配重質(zhì)量的范圍，作為優(yōu)化的約束條件。

優(yōu)選的，步驟ss6中，根據(jù)實(shí)際葉片情況與測(cè)試精度要求，確定增加配重后，葉片結(jié)構(gòu)的模態(tài)載荷力矩曲線與目標(biāo)載荷相似度的取值作為優(yōu)化目標(biāo)。

優(yōu)選的，步驟ss6中，通過優(yōu)化方法與有限元軟件之間的迭代優(yōu)化計(jì)算，獲得滿足優(yōu)化目標(biāo)的變量參數(shù)，及最佳的配重位置與配重質(zhì)量。

優(yōu)選的，步驟ss6中，優(yōu)化算法可采用通用成熟的優(yōu)化算法軟件，有限元分析程序可采用通用成熟的商用軟件。

優(yōu)選地，步驟ss6中，由于配重質(zhì)量與位置的影響，會(huì)對(duì)葉片疲勞載荷的均值與幅值關(guān)系造成一定的影響，可以采用通用的平均應(yīng)力修正方法(如goodman修正方法)對(duì)步驟ss6獲得的配重方案予以修正。

優(yōu)選的，采用該方法進(jìn)行葉片疲勞試驗(yàn)配重塊的優(yōu)化布置，其前提在于有明確的疲勞試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)載荷。

優(yōu)選的，采用該方法需通過建立葉片結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模型，開展模態(tài)分析，比較力矩模態(tài)振型與疲勞試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)載荷差距，并通過優(yōu)化配重位置與質(zhì)量，改善力矩模態(tài)振型曲線與疲勞試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)載荷曲線的相似度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

優(yōu)選的，采用該方法需根據(jù)實(shí)際葉片情況，確定配重位置的數(shù)量和每一配重質(zhì)量的范圍，作為優(yōu)化約束條件，以配重位置和配重質(zhì)量作為優(yōu)化變量。

本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)葉片共振式疲勞試驗(yàn)載荷配置方法，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)加載配重裝置的位置與質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化布置，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)載荷與目標(biāo)載荷達(dá)到良好的符合程度，從而保證疲勞實(shí)驗(yàn)的加載精度，實(shí)現(xiàn)測(cè)試葉片承受疲勞載荷能力的效果，并獲得比較精確的葉片疲勞性能參數(shù)，滿足葉片設(shè)計(jì)研發(fā)與檢測(cè)的需求。該方法特點(diǎn)在于，在進(jìn)行葉片疲勞測(cè)試之前，開展葉片加載配重裝置的優(yōu)化布置工作。具體來說，首先建立葉片的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并在該葉片模型中，以加載配重裝置的位置和配重質(zhì)量為優(yōu)化變量，以目標(biāo)載荷為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行葉片動(dòng)力特性的優(yōu)化分析，計(jì)算得到滿足優(yōu)化目標(biāo)的配重位置與配置質(zhì)量，并據(jù)此制定測(cè)試的加載方案。與現(xiàn)有的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片疲勞測(cè)試技術(shù)相比，該方法將葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析與優(yōu)化計(jì)算相結(jié)合，獲得符合葉片所希望的載荷加載方案。

(三)有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)葉片共振式疲勞試驗(yàn)載荷配置方法具有如下明顯的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：

與現(xiàn)有共振式疲勞試驗(yàn)中試驗(yàn)載荷確定的各種方法相比，本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)葉片共振式疲勞試驗(yàn)載荷配置方法采用將葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算與配重塊優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，進(jìn)行載荷方案的確定，可實(shí)現(xiàn)周期短、成本低、能夠比較精確地實(shí)現(xiàn)葉片的加載效果，從而更為準(zhǔn)確地獲得葉片壽命參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有葉片共振式疲勞試驗(yàn)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本實(shí)施例中，以當(dāng)前主流的mw級(jí)風(fēng)力機(jī)葉片為例，采用以下步驟進(jìn)行檢測(cè)和結(jié)果修正：

1)根據(jù)所要進(jìn)行測(cè)試的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立葉片結(jié)構(gòu)的一維梁有限元數(shù)值模型；

2)根據(jù)葉片疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)，葉片在試驗(yàn)臺(tái)上的固定情況，對(duì)1)中有限元模型與試驗(yàn)臺(tái)相連接節(jié)點(diǎn)的六個(gè)位移自由進(jìn)行固定約束；

3)對(duì)上述有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，分別獲得該葉片結(jié)構(gòu)的一階揮舞模態(tài)與一階擺振模態(tài)，并提取這兩階模態(tài)沿葉片展向的模態(tài)力矩曲線；

4)根據(jù)葉片廠商所提供的揮舞方向與擺振方向疲勞實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)載荷，分別將其繪制成沿葉片展向分布的揮舞與擺振方向載荷力矩曲線。

5)分別比較3)中得到的揮舞與擺振模態(tài)力矩分布曲線與4)中目標(biāo)載荷力矩曲線，分析二者差異性，并通過后續(xù)的安置配重塊及優(yōu)化措施，改善兩條曲線的相似程度，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)載荷達(dá)到或接近設(shè)計(jì)載荷的目的。

6)首先針對(duì)揮舞方向的情況，在葉片的數(shù)值模型上，選擇若干位置放置一定質(zhì)量的配重，以配重所在單元節(jié)點(diǎn)的位置和配重質(zhì)量為優(yōu)化變量；

7)根據(jù)實(shí)際葉片情況，確定配重位置的數(shù)量和每一配重質(zhì)量的范圍，作為優(yōu)化的約束條件，以配重節(jié)點(diǎn)位置和配重質(zhì)量作為優(yōu)化變量；

8)根據(jù)實(shí)際葉片情況與測(cè)試精度要求，確定增加配重后，葉片結(jié)構(gòu)的模態(tài)載荷力矩曲線與目標(biāo)載荷的相似度的取值，作為優(yōu)化目標(biāo)；

9)優(yōu)化算法可采用通用成熟的粒子群優(yōu)化算法，有限元分析程序可采用通用成熟的商用軟件nastran軟件；通過優(yōu)化方法與有限元軟件之間的迭代優(yōu)化計(jì)算，獲得滿足優(yōu)化目標(biāo)的變量參數(shù)，及最佳的配重位置與配重質(zhì)量；

10)依據(jù)上述步驟，確定在實(shí)際葉片上的配重位置與配重質(zhì)量，達(dá)到優(yōu)化疲勞試驗(yàn)載荷的目的。

11)完成揮舞方向配重優(yōu)化方案后，再進(jìn)行擺振方向的優(yōu)化工作。擺振方向的載荷優(yōu)化情況與上述揮舞方向所采用的方法一致，這里不重復(fù)介紹。

12)將優(yōu)化獲得的配重方案，應(yīng)用于實(shí)際待測(cè)葉片上，并通過調(diào)整激勵(lì)裝置的輸出功率，實(shí)現(xiàn)葉片所要求的的載荷。

13)由于配重質(zhì)量與位置的影響，會(huì)對(duì)葉片疲勞載荷的均值與幅值關(guān)系造成一定的影響，可以采用通用的平均應(yīng)力修正方法(如goodman修正方法)予以修正。

通過以上步驟的實(shí)施，完成了對(duì)該葉片疲勞載荷方案的確定。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。