随机载荷条件下风力机叶片疲劳损伤机理及寿命预测研究

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随着我国风电产业的快速化发展,如何在漫长的服役寿命内保证风力发电机主要部件叶片的健康运行,成为了风电运维时代的重要课题。叶片在服役过程中承受随机载荷的作用,主梁是叶片最重要的承载结构,其制造过程中产生的缺陷是早期疲劳损伤的根源,将直接影响叶片的疲劳寿命。主梁内部制造缺陷类型和大小的分散性以及承受的风载荷的随机性,导致主梁的疲劳寿命预测呈现显著的不确定性和挑战性。为了规范主梁出厂前的疲劳测试标准,制定合理的叶片运维策略,本文从制造缺陷的源头明晰主梁疲劳损伤的深层次机理进而实现随机载荷下的疲劳寿命预测。本文的主要研究内容如下:(1)以热力学定律为基础,考虑主梁复合材料的正交各向异性,根据疲劳过程中各部分能量耗散源的关系,推导了疲劳破坏能的表达式;通过对缺陷材料的各个热物理性能参数进行均匀化处理,分别构建了含孔隙和分层缺陷的主梁层合板疲劳破坏能的计算模型,可由此表征主梁内部缺陷演化为疲劳损伤的状态;对含不同大小的孔隙和分层缺陷主梁试件开展了红外热像仪监测的疲劳实验,实验过程中发现含孔隙缺陷的试件在疲劳过程中的温升相对更大,含孔隙和分层缺陷越大的试件温升反而越小,为含缺陷主梁的损伤检测提供了有效的依据;当红外热像图中缺陷的局部热区不再扩大但温度急剧升高时预示着主梁的早期损伤演化,这是评估损伤状态的关键时刻。(2)基于疲劳损伤能的计算模型探究了实验过程中含孔隙和分层缺陷主梁试件的疲劳破坏能和剩余刚度的变化规律,并由此构建了两个损伤变量;通过显微形貌分析逐一验证两个变量在疲劳过程中的临界变化值可以作为含缺陷主梁材料早期损伤状态的判据;根据这两个损伤变量分别建立了损伤累积模型并对实验数据进行曲线拟合,其中疲劳破坏能损伤模型的拟合精度更高;基于疲劳破坏能模型提出了一种评估含孔隙和分层缺陷主梁早期损伤状态的简易方法;应用有限元软件模拟试件在疲劳过程中疲劳破坏能的变化,模拟结果与实验结果的一致性验证了基于疲劳破坏能识别疲劳损伤演化状态的准确性与可行性。(3)基于疲劳破坏能提出了一种含褶皱缺陷主梁的疲劳极限快速评估方法。当主梁层合板在疲劳过程中经历损伤稳定阶段时,内部缺陷演化达到准平衡状态,疲劳破坏能基本保持恒定;应用双线法拟合含褶皱缺陷主梁试件在不同应力水平下的稳态疲劳破坏能,得到两条直线拐点对应的应力幅值即为疲劳极限;与传统法估算的结果相比,应用疲劳破坏能评估的疲劳极限具有较高的准确度,而且不需要实验至试件失效,极大地缩短了实验周期。通过量化褶皱缺陷与剩余刚度的定量关系,引入疲劳破坏能和剩余刚度两个损伤变量,建立了恒幅载荷下含褶皱缺陷主梁层合板的疲劳寿命预测模型;应用该模型预测的S-N曲线都在传统方法估算的疲劳寿命的95%置信区间内,对于评估含不同大小的褶皱缺陷主梁的疲劳寿命具有更高的精度。(4)在已建立的恒幅载荷下疲劳寿命预测模型的基础上,全面考虑模型中随机变量的概率分布特性,推导了随机载荷作用下含褶皱缺陷主梁层合板的疲劳寿命预测和概率分布模型;仅根据少量的恒幅载荷实验结果就可以预测随机载荷下主梁层合板的疲劳寿命及其概率分布;理论预测结果与实验结果的误差均在10%以内,大大减少了随机载荷实验的工作量;采用实际1.5 MW叶片服役过程中的疲劳载荷谱,基于叶片材料的广义应力寿命曲线,应用随机载荷下叶片的疲劳损伤累积模型计算了叶片的疲劳总损伤并由此预测疲劳寿命;叶片寿命的预测结果接近于现场测试结果,证明了提出的叶片疲劳寿命评估方法的正确性。
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