风电叶片单点疲劳加载过程数值仿真与试验

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1、振动、测试与诊断第３４卷第４期Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．４２０１４年８月Ａｕｇ．２０１４ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ＊风电叶片单点疲劳加载过程数值仿真与试验张磊安，黄雪梅，王娜，孔晓佳（山东理工大学机械工程学院淄博，２５５０４９）摘要设计了一套风电叶片单点疲劳加载系统，基于拉格朗日方程建立了振动耦合数学模型，对振动特征规律（叶片振幅、电机电流）分别进行数值仿真。当驱动频率与叶片固有频率偏差较小时，固存的机电耦合现象会导致叶片振幅稳定，若偏差增大，叶片振幅则发生剧烈波动。加载源电流跟随叶片振动产生周期性波动，且

2、转速越大，等负载下的电流相对越大，共振时电流达到最大。建立了一套单点疲劳加载试验系统，对振动过程中的叶片振幅和电流进行测试。试验结果验证了数学模型与仿真模型的准确性，该结论为疲劳加载解耦控制算法的制定提供了理论依据。关键词风电叶片；疲劳加载系统；数学模型；数值仿真；试验验证中图分类号ＴＨ２１２；ＴＰ２７１．４；ＴＫ８点疲劳加载系统，推导了单点疲劳加载振动耦合数引言学模型，并对振动规律进行了数值仿真研究，揭示了“单加载源－叶片”之间的振动耦合特性。构建了一风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，风套ａｅｒｏｂｌａｄｅ２．０－４４风电叶片单点疲劳加载试验系

3、力发电作为当今世界最主要的可再生能源技术之统。试验结果验证了数学模型与仿真模型的准确一，具有很高的生态效益和经济效益。风电叶片作性，为后续疲劳加载过程的解耦控制策略制定提供为风电机组的关键部件之一，制造成本约占整个机了理论依据。［１－５］组的２０％～３０％。由于总是受到交变载荷作用，疲劳破坏是风电叶片主要的失效方式之一，大约１单点疲劳加载系统设计［６－８］４０％的叶片损坏都是由于疲劳失效引起，因此开展风电叶片疲劳检测是风电产业链中的重要环节，设计了一套兆瓦级风电叶片单点疲劳加载系也是实现风电叶片性能、安全等方面全方位评定的统，整个系统主要由加载基座和单

4、加载源构成，如图关键。为了在设计、制造阶段确定叶片的疲劳薄弱１所示。叶片根部通过高强度螺栓固定在基座上，部位，需要对风电叶片进行疲劳加载试验。国外在加载源大约放置在沿叶片展向７０％处，主要由变频该领域的研究起步较早且有了一定的进展。Ｄａｒｒｉｓ电机、减速箱，可调偏心质量块和连接夹具等组成。［９］等采用双轴加载模式对１．５ＭＷ风电叶片进行疲它是利用内部偏心质量块的旋转产生的激振力带动劳加载试验，得到叶片面向和弦向相位角大范围变叶片上下振动。化，可用一个高斯分布来近似代替。ＯｌｅＪｅｓｐｅｒ［１０］等采用单轴加载和热像监控手段对ＬＭ１９．１风２“加载源－叶

5、片”系统数学模型电叶片进行试验，发现叶片温度升高的区域逐渐扩大，当振动次数达到破坏次数时，温度约升高５℃。在风电叶片单点疲劳加载系统中，为了简化系国内在风电领域的起步较晚，对风电叶片疲劳加载统建模，建模时做如下假设：ａ．叶片近似为线性弹性试验系统的研究鲜有报道。体，加载源与连接夹具均为均质刚体；ｂ．在振动过笔者设计了一套偏心质量块驱动的风电叶片单程中，叶片竖直方向的阻尼力和弹性力分别为速度＊国家自然科学基金资助项目（５１３０５２４３，５１４０５２７５）收稿日期：２０１２－１２－３０；修回日期：２０１３－０３－２２第４期张磊安，等：风电叶片单点疲劳加载过

6、程数值仿真与试验７３３Ｖ＝１ｋｘｘ２＋１ｋ２＋１ｋ２（２）ｙｙφφ２２２根据拉格朗日定理，有ｄＴＴＶ－＝－＋Ｑｉ（ｉ＝１，２，３）（３）ｄｔｑｉｑｉｑｉ对于系统模型分析，广义力定义为－ｃｘｘ熿燄－ｃｙｙＱｉ＝（４）－ｃφφ燀Ｔｍ－Ｔｆ－ｃθ燅其中：ｘ，ｙ，φ为水平、垂直及扭转方向的位移；ｃｘ，ｃｙ，ｃφ为ｘ，ｙ及φ等效阻尼系数；ｋｘ，ｋｙ，ｋφ为ｘ，ｙ及φ等效刚度系数；Ｔｍ，Ｔｆ为电机转轴上的电磁转图１单点疲劳加载系统矩与负载转矩。Ｆｉｇ．１Ｓｉｎｇｌｅ－ｐｏｉｎｔｆａｔｉｇｕｅｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ将动能和势能代入拉格朗日

7、方程，得到单点疲劳加载系统的动力学方程为和位移的线性函数。（Ｍ＋ｍ）¨ｘ＋ｃｘｘ＋ｋｘｘ＝０在上述两个假设前提下，根据风电叶片疲劳加烄（Ｍ＋ｍ）¨ｙ＋ｃθ２ｓｉｎθ－¨θｃｏｓθ）ｙｙ＋ｋｙｙ＝ｍｒ（载系统建立的单点疲劳加载模型如图２所示。图（ＭＬ２２＋Ｊ¨０＋ｍＬ０）φ＋ｃφφ＋ｋφφ＝中，Ｏｘｙｚ为绝对坐标系，Ｏ′ｘ′ｙ′ｚ′和Ｏ″ｘ″ｙ″ｚ″为动烅¨２ｍＬｒｃｏｓβ（θｃｏｓθ－θｓｉｎθ）坐标系，Ｏ′为系统运动合成质心，Ｏ″为振动机体（叶２Ｊ¨θ＝Ｔｍ－Ｔｆ－ｍｒｓｉｎθ［（θ－１）（ｙ－φＬｃｏｓβ）－片和加载源）的质心，Ｏ１

8、为偏心块旋转中心，Ｌ＝２）烆θｒｃｏｓθ］－ｍｒｃｏｓθ（¨ｙ－¨φＬｃｏｓβ＋¨θｒｃｏｓ