風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載試驗(yàn)彎矩匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載試驗(yàn)彎矩匹配方法，尤其適用于兆瓦級(jí)風(fēng) 電葉片的疲勞加載試驗(yàn)，屬于風(fēng)機(jī)葉片的單點(diǎn)疲勞加載試驗(yàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前單點(diǎn)疲勞加載試驗(yàn)方法是國(guó)際上風(fēng)電葉片疲勞測(cè)試的主流方法之一。單點(diǎn)疲 勞加載試驗(yàn)方法通常在葉片翼向約70%處施加單點(diǎn)激勵(lì)使其與葉片共振來(lái)完成疲勞測(cè)試。 根據(jù)IEC 6140〇-23Full_Scale Structural Testing of Wind Turbine Blade標(biāo)準(zhǔn)，由該 單點(diǎn)激勵(lì)所引起的葉片各個(gè)端截面的實(shí)際彎矩應(yīng)盡可能與葉片設(shè)計(jì)方提供的理論彎矩相 匹配。國(guó)內(nèi)外通常采用在葉片表面添加多個(gè)配重塊來(lái)保證各截面的彎矩匹配誤差対空制在 一定的誤差范圍內(nèi)（目前該誤差通常取值為7%)。但是由于缺乏有效的彎矩匹配方法，多數(shù) 葉片測(cè)試廠家僅通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單計(jì)算，在葉片翼向的合適位置僅添加一個(gè)配重塊來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí) 際彎矩和理論彎矩的匹配，匹配誤差較大，某些截面的相對(duì)誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)7%，由此得出的 疲勞測(cè)試數(shù)據(jù)精度不高，在一定程度上造成了單點(diǎn)疲勞加載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果失真，很難滿足 高精度的葉片疲勞測(cè)試要求?；蛘呷鐝埨诎驳恼撐摹禡W級(jí)風(fēng)電葉片加載系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研 究.》中，雖給出了彎矩計(jì)算模型，但模型過(guò)于簡(jiǎn)單且后續(xù)優(yōu)化步驟含糊，沒有給出具體的實(shí) 現(xiàn)方法，由此得出的彎矩分布數(shù)據(jù)后人無(wú)法驗(yàn)證，可靠性不高。根據(jù)某葉片生產(chǎn)廠商提供的 數(shù)據(jù):設(shè)計(jì)服役期為20年的某型號(hào)葉片，雖然通過(guò)了單點(diǎn)疲勞加載試驗(yàn)，但實(shí)際壽命遠(yuǎn)達(dá)不 到設(shè)計(jì)壽命。隨著風(fēng)力機(jī)逐漸向兆瓦級(jí)大功率方向發(fā)展，葉片尺寸隨之增大，對(duì)葉片的強(qiáng)度 和剛度的要求更加苛刻，高精度的葉片疲勞加載試驗(yàn)必將是葉片檢測(cè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之 一。因此，提出一種有效的實(shí)際-理論彎矩匹配方法，可以提高試驗(yàn)中實(shí)際彎矩的分布精度， 從而提高葉片的疲勞加載試驗(yàn)精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種能夠使理論 彎矩和實(shí)際彎矩兩者之間的誤差控制在δ以內(nèi)、有效提高葉片的實(shí)際一理論彎矩匹配的風(fēng) 電葉片單點(diǎn)疲勞加載試驗(yàn)彎矩匹配方法。
[0004] 本發(fā)明所述的風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載試驗(yàn)彎矩匹配方法，包括以下步驟：
[0005] (1)根據(jù)等效替代原則將葉片沿翼向分割為η個(gè)離散部分，得到(η+1)個(gè)截面，試驗(yàn) 中通過(guò)疲勞加載驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)葉片振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生激振力；
[0006] (2)建立模型：
[0007] 建立僅考慮葉片自重的實(shí)際彎矩模型，該模型表示為
[0009] Tlk為該模型中葉片某一截面1^仏=1，2廣_，11+1)處的實(shí)際彎矩值；
[0010] 建立添加配重塊后、考慮驅(qū)動(dòng)裝置重量與配重塊重量的實(shí)際彎矩模型，該模型表 示為
[0012] T2k為該模型中葉片某一截面1^仏=1，2，'"，11+1)處的實(shí)際彎矩值；
[0013]由上述得到實(shí)際總彎矩模型，該模型表示為
[0014] Tk = Tlk+T2k；[3]
[0015] Tk為該模型中葉片某一截面1^仏=1，2，'"，11+1)處的實(shí)際總彎矩值；
[0016]其中，i為截面編號(hào)，j為截面k右邊的配重塊編號(hào)(截面k右邊如果沒有配重塊，j就 不用編號(hào)了，即j不存在，則T2k = 0)，N為所有添加的配重塊總數(shù)，p為截面k右邊的配重塊的 總數(shù)(P < N)，Pi為各尚散部分的線質(zhì)量密度，bi為各尚散部分的長(zhǎng)度，Lki為端截面k與第i個(gè) 離散部分Pi重心處的距離，f為葉片激振頻率，yi為Pi所屬離散部分重心處的振幅，g為重力 加速度，端截面k到葉根的距離，為配重塊m連心處的振幅值，r k為疲勞加載驅(qū)動(dòng)裝置 到端截面k的距離，M為疲勞加載驅(qū)動(dòng)裝置的等效質(zhì)量，yM為疲勞加載驅(qū)動(dòng)裝置處的振幅值， 以上各參數(shù)均為可測(cè)出的已知值;1?為添加的配重塊質(zhì)量，幻為添加的配重塊距葉片根部的 距離，mi與Xj為未知值；
[0017] (3)要計(jì)算Tk，所添加的各個(gè)配重塊的質(zhì)量叫以及各個(gè)配重塊到葉根的距離Xj(即 配重塊的添加位置)均為未知值，而已知條件為:根據(jù)疲勞測(cè)試要求，對(duì)于葉片的任一截面k (B k < n+1 )，其上的實(shí)際總彎矩值Tk與理論彎矩值Tk '的誤差需要控制在一定范圍內(nèi)，即：
[0019]其中，δ為原始設(shè)定值；
[0020]按照公式[4]進(jìn)行優(yōu)化求解，最終得出所添加配重塊的個(gè)數(shù)和質(zhì)量以及位置且所 添加的配重塊個(gè)數(shù)最少。在優(yōu)化求解時(shí)，可以采用常規(guī)的數(shù)學(xué)軟件，如Mat lab、Lindo、Lingo 等。
[0021 ]本發(fā)明中優(yōu)選如下優(yōu)化求解的方法，具體方法為：
[0022] 1)計(jì)算出未添加配重塊之前實(shí)際總彎矩值與理論彎矩值相對(duì)誤差最大的截面，設(shè) 該截面距離葉片根部的距離為.S 11;從葉片尖部開始添加，先添加一個(gè)配重塊（即令N= 1 )，所 添加的配重塊距離該截面越遠(yuǎn)，所需要的配重塊的質(zhì)量越小，但最遠(yuǎn)距離不能超過(guò)滿足誤 差要求的截面;找出實(shí)際總彎矩值與理論彎矩值相對(duì)誤差最小的截面，設(shè)該截面距離葉片 根部的距離為4·
[0023] ①采用二分法確定配重塊的初始位置：
[0024] 根據(jù)二分法原則，令
，取Xi1為Xi的初始值，任選一個(gè)截面a，a = 1，2，···，η+1，將其上的理論彎矩值Ta'與實(shí)際總彎矩值1之差的最小值作為目標(biāo)函數(shù)，將其 他截面誤差的差值作為該目標(biāo)函數(shù)的不等式約束條件，建立目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

[0027]其中，公式[5]和公式[6]中的j = l;
[0028]求解mi的值，若mi有解，則令XI1 = XI，得到添加一個(gè)配重塊時(shí)XI、mi的最優(yōu)值，完成 優(yōu)化；
[0029] ②若無(wú)解，根據(jù)二分法原則，再次令
，取X12為^的初始值，任選 一個(gè)截面c，截面c與①中的截面a可以是同一截面，也可以是不同截面，將其上的理論彎矩 值T。'與實(shí)際總彎矩值T。之差的最小值作為目標(biāo)函數(shù)，將其他截面的誤差作為該目標(biāo)函數(shù)的 不等式約束條件，如①建立目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型(將相應(yīng)公式中的下標(biāo)a改為c，p為截面c右側(cè) 配重塊的個(gè)數(shù)），求解m的值，若m有解，則令 X12 = X1，得到添加一個(gè)配重塊時(shí)X1、nu的最優(yōu) 值，完成優(yōu)化；
[0030] ③若無(wú)解，則再根據(jù)二分法原則，令
如此循環(huán)，直到得到 添加一個(gè)配重塊時(shí)Xi、mi的最優(yōu)值；
[0031] ④若X1n趨近于4 ( 即Ix1" - s/丨ε根據(jù)誤差大小給定）時(shí)仍然無(wú)解，即仍然不 滿足誤差要求，則需要添加第二個(gè)配重塊，并計(jì)算其添加位置，此時(shí)取幻1、^2……Χ1 η中實(shí)際 總彎矩值與理論彎矩值相對(duì)誤差最小的位置點(diǎn)作為添加第一個(gè)配重塊的位置初始值，并取 該位置點(diǎn)在上述目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中求解的m作為第一個(gè)配重塊的質(zhì)量，之后添加第二個(gè) 配重塊；
[0032] 2)計(jì)算出添加完第一個(gè)配重塊之后實(shí)際總彎矩值與理論彎矩值相對(duì)誤差最大的 截面，設(shè)該截面距離葉片根部的距離為S21;同時(shí)找出實(shí)際總彎矩值與理論彎矩值相對(duì)誤差 最小的截面，設(shè)該截面距離葉片根部的距離為根據(jù)二分法原則，令X21 =( S21 #)/2， 然后取X21為X2的初始值，采用如同1)中的步驟①②③一一由于采用的配重塊個(gè)數(shù)為2,因此 公式[5]和公式[6]中的N = 2-一得到添加兩個(gè)配重塊后的11、1111、12和111 2的最優(yōu)值;若1211趨 近于S22 (即且ε根據(jù)誤差大小給定)時(shí)仍然無(wú)解，即仍然不滿足誤差要求，則需 要添加第三個(gè)配重塊并計(jì)算其添加位置，此時(shí)，取X21^22……x 2n中實(shí)際總彎矩值與理論彎 矩值相對(duì)誤差最小的位置點(diǎn)作為第二個(gè)配重塊的添加位置，將這兩個(gè)配重塊的添加位置代 入上述建立的目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中（此時(shí)Ν=2)，求解的m作為第一個(gè)配重塊的質(zhì)量、m 2作為 第二個(gè)配重塊的質(zhì)量，之后添加第三個(gè)配重塊；
[0033] 3)添加第三個(gè)配重塊的優(yōu)化求解步驟如同2)，若添加三個(gè)配重塊仍無(wú)解，則需要 添加第四個(gè)，……，直至添加第Ν'個(gè)配重塊有解，則取已經(jīng)求解出的N個(gè)配重塊的添加位置 點(diǎn)Χ1、Χ2……ΧΝ，，此時(shí)在上述建立的目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中（令Ν = Ν'）求解出各添加位置點(diǎn)所 對(duì)應(yīng)的配重塊的質(zhì)量；
[0034]按照上述優(yōu)化求解的方法，即可得到滿足公式[4]的所添加的配重塊的個(gè)數(shù)、質(zhì)量 和位置，且所添加的配重塊個(gè)數(shù)最少。
[0035] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的有益效果是：
[0036] 1、本發(fā)明對(duì)葉片任一端截面，計(jì)算其實(shí)際彎矩分布的模型精度較高；
[0037] 2、本發(fā)明針對(duì)所添加配重塊的數(shù)量、位置和質(zhì)量，給出了具體的計(jì)算和優(yōu)化方法， 并且滿足所添加的配重塊的數(shù)量最少；
[0038] 3、本發(fā)明彎矩匹配的精度高，葉片任一端截面的理論彎矩和實(shí)際彎矩誤差可嚴(yán)格 控制在δ(目前通常為7%)以內(nèi)。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 圖1是僅考慮葉片自重的彎矩分布分析圖；
[0040] 圖2是添加配重塊后、考慮驅(qū)動(dòng)裝置重量與配重塊重量的彎矩分布分析圖；
[0041 ]圖3是本實(shí)施例中某型葉片的理論彎矩值曲線圖；
[0042] 圖4是本實(shí)施例中某型葉片的等效線質(zhì)量密度的曲線圖；
[0043] 圖5是本實(shí)施例中某型葉片的各截面的振幅值的曲線圖；
[0044] 圖6是本實(shí)施例中某型葉片在激振力與自重共同作用下的各截面處彎矩值曲線 圖；
[0045]圖7是本實(shí)施例中某型葉片的各截面的實(shí)際總彎矩值與理論彎矩值的比較圖； [0046]圖8是本實(shí)施例中某型葉片各截面的實(shí)際總彎矩值與理論彎矩值匹配后的誤差效 果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：
[0048] 某葉片測(cè)試中心提供了長(zhǎng)度為40.3m的某型葉片，并根據(jù)等效替代原則將該葉片 沿翼向離散成22個(gè)離散部分，得到23個(gè)截面，i為截面編號(hào)，每個(gè)離散部分的長(zhǎng)度bi = l.5m， 表1給出了該葉片疲勞加載試驗(yàn)中各截面的理論彎矩值Iv k、每個(gè)離散部分的線質(zhì)量密度Pi 以及通過(guò)激光測(cè)試儀測(cè)出的各離散部分重心處的振幅y1;并通過(guò)疲勞加載驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)各 離散部分旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力，該疲勞加載驅(qū)動(dòng)裝置的質(zhì)量M = 700Kg，其重心處的振幅yM = 0.4，其帶動(dòng)該葉片振動(dòng)的振動(dòng)頻率f = 0.78Hz。本實(shí)施例中采用數(shù)學(xué)軟件Mat Iab進(jìn)行優(yōu)化 求解。
[0049] 表 1
[0052]本實(shí)施例中的某型葉片的單點(diǎn)疲勞加載試驗(yàn)彎矩匹配方法如下所示：
[0053] (1)在疲勞加載驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生的激振力下，僅考慮葉片自重，將表1數(shù)據(jù)帶入公式 [1]：
[0055]對(duì)離散而形成的23個(gè)截面，其上的實(shí)際彎矩值可分別計(jì)算得出，計(jì)算過(guò)程如下所 示：
[0057] (2)添加配重塊后，考慮疲勞加載驅(qū)動(dòng)裝置的重量與配重塊的重量，則所有截面的 實(shí)際彎矩值計(jì)算如下：
[0058] 添加的配重塊質(zhì)量叫和位置&