双轴加载的风电叶片全尺寸结构疲劳试验载荷匹配方法

作     者：韩美琪 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：安宗文;张岩

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 081104[工学-模式识别与智能系统] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：双轴加载 风电叶片 全尺寸结构疲劳试验 模态分析 载荷匹配 

摘      要：风电叶片是风电系统获取风能的重要组件,需要通过全尺寸疲劳试验对投入市场前的叶片进行质量检测,保证叶片达到预期的使用寿命。现行的单轴加载全尺寸疲劳试验方式存在试验精度低、试验周期长等问题,而双轴加载方式是同时在挥舞和摆振方向进行加载试验,能够更加真实地模拟叶片受载情况,因此开展双轴加载的叶片疲劳试验非常关键。然而,双轴加载全尺寸疲劳试验由于缺乏载荷匹配的方案设计与方法研究,使得试验弯矩与目标弯矩的误差较大,在工程应用中受到限制。因此,为解决上述问题,本课题从动力学分析和工程优化的角度出发,对全尺寸疲劳试验的载荷匹配这一核心问题进行研究,提出基于传递矩阵法和粒子群优化算法的风电叶片双轴加载全尺寸疲劳试验载荷匹配方法,并以某型号叶片为例对该方法进行验证。本文主要的研究过程和结果如下:(1)提出基于粒子群算法的风电叶片固有频率计算方法。利用传递矩阵法对疲劳试验状态下的叶片进行动力学建模分析,得到特征方程,设计单目标粒子群算法完成对固有频率的计算。以某68.6m叶片为例进行分析,结果表明:挥舞和摆振方向固有频率的理论结果与测试结果的误差均控制在2%以内,在工程误差允许的范围内,证明了所提方法的合理性。(2)分析布置配重对风电叶片疲劳试验模态振型的影响。根据传递矩阵法与布置配重的关系,分别从叶片的挥舞和摆振方向开展研究,运用固有频率的计算方法,结合配重的位置和质量两个影响因素,对叶片进行模态振型分析。利用某68.6m叶片的疲劳试验数据进行分析,结果表明:第一,在影响因素方面,配重位置对叶片模态振型的影响程度高于配重质量的影响;第二,在振动方向方面,配重位置和质量对叶片挥舞方向模态振型的影响程度高于摆振方向的影响;第三,在配重布置区域方面,沿叶片展向30%-80%的范围是布置配重的合适区域。(3)提出双轴加载的风电叶片全尺寸结构疲劳试验载荷匹配方法。根据设计的叶片双轴加载疲劳试验方案,首先利用传递矩阵法计算双轴加载状态下的试验弯矩,然后设计粒子群算法对挥舞和摆振方向激振设备的位置和旋转质量以及固定配重的位置、质量和数量进行优化,据此将试验弯矩的计算模型和目标弯矩的数据整合到粒子群算法中,实现双轴加载疲劳试验载荷的最优匹配。通过对某型68.6m的叶片进行算例分析,结果表明:三种试验区域内叶片弯矩的计算数据与测试数据的误差均控制在10%以内,符合试验要求,验证了所提方法的可行性。