基于疲勞測試的葉片優(yōu)化設(shè)計研究

喬玉軍，李成良，丁惢

（中材科技風電葉片股份有限公司，北京　100092）

基于疲勞測試的葉片優(yōu)化設(shè)計研究

喬玉軍，李成良，丁惢

（中材科技風電葉片股份有限公司，北京100092）

隨著風電技術(shù)逐漸成熟，部件檢測越來越受到業(yè)主和主機廠的重視。特別是風電葉片的設(shè)計驗證，雖然檢測手段多樣，從材料測試到關(guān)鍵部件檢測，但全尺寸靜力測試與疲勞測試最終成為最為有效的檢測手段。通過測試不僅可以驗證設(shè)計的可靠性，確保葉片在20年的運行壽命中沒有損傷，也可以獲取局部應(yīng)變等參數(shù)指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計。特別是全尺寸疲勞測試［1］，在為葉片批產(chǎn)提供依據(jù)的同時，分析測試過程中所記錄的各項指標，分類歸納對比設(shè)計安全因子，得出葉片各項指標中的冗余度，針對冗余度進行優(yōu)化設(shè)計，提高葉片可靠性，減少材料用量，降低成本。

全尺寸；疲勞測試；失效模式；優(yōu)化設(shè)計

0　引言

在風電葉片的設(shè)計過程中，疲勞測試往往是葉片設(shè)計的最終檢測環(huán)節(jié)。在滿足規(guī)范要求的前提下進行疲勞測試大綱編寫，指導(dǎo)加載并最終完成疲勞測試。通過測試，可以充分驗證設(shè)計，發(fā)掘材料性能，以期降低重量進而降低成本。

1　葉片疲勞測試種類及規(guī)范

1.1關(guān)鍵截面疲勞測試

加載滿足理論設(shè)計確定的安全因子較低的危險截面，如表1，表2所示。早期的疲勞測試均采用搖臂式激振系統(tǒng)，通過變頻器控制電機轉(zhuǎn)速來達到共振載荷。

表1　揮舞方向關(guān)鍵截面疲勞測試Tab.1 Flapwise key section fatigue test

表2　擺振方向關(guān)鍵截面疲勞測試Tab.2 Edgewise key section fatigue test

1.2全尺寸疲勞測試

隨著葉片逐漸向細長、輕量化方向發(fā)展，全尺寸疲勞測試，可以使整個葉片加載均滿足理論設(shè)計要求，視具體葉片結(jié)構(gòu)性能而定，在滿足關(guān)鍵截面要求的前提下盡可能多的覆蓋其他截面。表3中給出了接近全尺寸的疲勞測試，采用液壓激振系統(tǒng)共振載荷可覆蓋葉片80%區(qū)域。

表3　全尺寸疲勞測試Tab.3The full-scale fatigue test

1.3分段疲勞測試

在前期模擬加載時由于測試方法的缺陷等可能會遇到局部載荷無法滿足設(shè)計要求，但其他位置載荷均已超出設(shè)計要求時，可待其他截面完成測試后折算未達標位置次數(shù)累計繼續(xù)測試。

1.4部件疲勞測試

理想疲勞測試方案為：層合板測試（玻璃纖維、粘接膠）、部件測試（葉根、主梁、后緣梁、腹板、避雷系統(tǒng)）、全尺寸葉片測試。隨著風電開發(fā)規(guī)模的增長與單機容量的增加，葉片將經(jīng)受更大的挑戰(zhàn)，業(yè)界對部件與全尺寸測試也逐漸有了新的認識。

1.5葉片疲勞測試規(guī)范

在測試過程中，往往會不同程度的出現(xiàn)葉片或測試系統(tǒng)的損傷。此時需要評估損傷程度與原因，反饋設(shè)計人員與測試人員并制定維修方案，維修結(jié)束后持續(xù)測試。對于葉片在疲勞試驗中的失效判斷，依據(jù)《IEC61400-23》中的第36和第37頁中所述的標準來判斷，疲勞測試中，可以允許一些非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的破壞，如腹板小范圍的開膠和蒙皮的分層，修補后，可以繼續(xù)測試。但是測試過程中，破壞和分層的部位在測試期間不允許有擴大的情況出現(xiàn)。測試期間如果出現(xiàn)以下情況，應(yīng)停止試驗，分析原因［2］：①葉片剛度下降超過10%并不可恢復(fù)；②卸載后，葉片出現(xiàn)明顯的永久形變；③葉片大部分截面出現(xiàn)局部失穩(wěn)或破壞；④卸載后，葉片整體或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，并且不能再承擔相應(yīng)的功能。

2　葉片全尺寸疲勞測試實例

2.1疲勞測試準備

SiH為3.0MW，III類風區(qū)葉片［3］，疲勞測試選取液壓激振，較懸臂激振控制更為準確。應(yīng)變片位置確定為監(jiān)控關(guān)鍵截面?？紤]到降低頻率與減少能耗，截取6m葉尖與加裝氣動減阻裝置［4］。測試過程中對頻率、應(yīng)變、位移等進行監(jiān)控。如果監(jiān)控參數(shù)超限，需要進行損傷診斷與維修。

2.2理論設(shè)計危險截面

圖2為葉片校核時沿葉片H玻纖UD和E玻纖UD材料的疲勞余量［5］，在10m～24m的疲勞安全余量非常有限，因此在疲勞測試中此區(qū)域載荷需特別關(guān)注。其中計算模型與實際葉片有1%～2%的偏差，葉尖偏差略大達到2%～3%，因此加載時需考慮理論偏差。

圖1　SiH葉片全尺寸疲勞測試Fig.1 The full-scale fatigue test of the Si59.5

圖2　材料疲勞安全余量Fig.2 Material fatigue safety margin

2.3測試

（1）葉片頻率測試。揮舞擺振頻率測試為常規(guī)測試方法?？紤]到氣彈穩(wěn)定性問題，對于大葉片，要求進行扭轉(zhuǎn)頻率測試。在葉片扭轉(zhuǎn)頻率測試前，在激振位置葉片后緣墊木塊，用錘進行敲擊激振。測試結(jié)果見表1。

表1　頻率測試結(jié)果Tab.1 The frequency test results

（2）葉片加載與應(yīng)變片信號監(jiān)控。在完成靜力與動態(tài)標定后，正式開始循環(huán)測試，測試過程中，首先要保持各監(jiān)控截面前后緣加載始終滿足測試大綱要求［6］。如圖3所示。

圖3　循環(huán)測試時的前后緣觀測位置載荷分布Fig.3 The load distribution at the LE and TE of the blade during the test

測試過程中，實時監(jiān)控各應(yīng)變變化情況，定時記錄。如圖4所示。如有異常觸發(fā)停機，尋找異常信息來源并對葉片進行詳細檢查，如有損傷，需要及時維修并記錄，待滿足測試條件后持續(xù)測試直至完成整個測試。

圖4　循環(huán)測試時的前后緣觀測位置應(yīng)變分布Fig.4 The strain distribution at the LE and TE of the blade during the test

3　基于葉片疲勞測試結(jié)果的優(yōu)化設(shè)計

3.1疲勞測試結(jié)論分析

記錄了整個200萬次循環(huán)過程中的葉中、葉尖位移，關(guān)鍵截面的應(yīng)變，螺栓應(yīng)變等。圖5為葉中、葉尖位移幅值記錄。測試結(jié)束后，將各測試指標匯總?cè)绫?作為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)。

圖5　葉中、葉尖位移幅值Fig.5 Blade middle and tip displacement

表2　疲勞測試記錄指標［7］Tab.2 The Record indicatorl during the test

3.2基于疲勞測試的葉片優(yōu)化設(shè)計

分析測試過程中所記錄的各項指標，分類歸納對比設(shè)計安全因子，得出葉片各項指標中的冗余度，如測試值大于理論值，定義冗余度＞1，針對冗余度進行優(yōu)化設(shè)計。

表3　基于疲勞測試冗余度的優(yōu)化設(shè)計方案Tab.3 The optimized design based on the redundancy of the fatigue test

對于冗余優(yōu)化設(shè)計，從材料與結(jié)構(gòu)形式兩個方面考慮。通過疲勞測試可以發(fā)現(xiàn)，主要承載部件主梁在經(jīng)過前期的靜力與疲勞測試后不會有損傷。通過持續(xù)的疲勞測試直至破壞，統(tǒng)計循環(huán)次數(shù)，可以折算出部件失效的冗余指數(shù)，這樣就可以減少材料用量或通過進行嚴格的材料測試，在滿足設(shè)計與測試要求的前提下進行材料替換，指導(dǎo)未來的優(yōu)化設(shè)計。葉尖位置一段的安全余量普遍偏大，可對主梁進行隨形，降低幅寬以減少材料用量，最終降低成本。在主梁蒙皮的主流結(jié)構(gòu)形式下，進行局部的調(diào)整如鈍尾緣，可以提高結(jié)構(gòu)剛度，避免增加后緣小腹板，也可以降低投影面積，降低載荷。

4　結(jié)論

全尺寸疲勞測試，是驗證葉片設(shè)計最為有效的手段之一，在測試過程中，不僅要確定考慮設(shè)計安全因子［5］的加載方案，也要確保測試監(jiān)控的有效性。分析測試過程中所記錄的各項指標，分類歸納對比設(shè)計安全因子，得出葉片各項指標中的冗余度，針對冗余度進行優(yōu)化設(shè)計，減少材料用量。下一步，爭取使基于疲勞測試的大葉片優(yōu)化設(shè)計通過DNV GL認證，為我國葉片可以獲得更多國際認可而努力。

［1］IEC 61400-23 International standard Edition 1.0，Wind turbines-Part 23:Full-scale structural testing of rotor blades，IEC，2014.

［2］IEC 61400-23 2001 WTG systems-Structural testing of blades，IEC，2001.

［3］SinomaC-3.0MW葉片技術(shù)參數(shù)20121122，SINOMA，2012-11-22.

［4］Sinoma DFatigue Test Plan WETC SGS，Document-ID:WETC-1308-032，2014.

［5］Design Verification Report T4-HF59，Jacob Roosma，T4-R305b-（C25-P50），2012.

［6］SinomaE疲勞測試載荷要求20140103.xlsx，SINOMA，2014-01-03.

［7］The SinomaF-004 blade records of maintenance process，Document-ID:Sinoma-2014-0402，2014.

The Blade Design Optimization Based on the Fatigue Test

QIAO Yu-Jun，LI Cheng-Liang，DING Suo
（Sinomatech Wind Power Blade Co.，Ltd.，Beijing 100092，China）

As the wind power technology is gradually mature，more and more attention has been payed about the parts testing by the owners and the wind turbine manufacturer.Especially for the rotor blade design verification，there are diversity test means about components from material to the key parts.But full-size static test and fatigue test finally become the most effective way.It can not only test and verify the reliability of design through the test to make sure that the blade is no injury during the running life of 20 years but also can guide the optimal design from the test parameters，for instance the local strain.While the full-scale fatigue test［1］，at the same time，can provide the basis to the blade batch production and also can find the weak and redundancy of the design.Than the blade failure mode was concluded to guide the design optimization and the blade reliability will be improved.The material consumption can be reduced and the cost will be reduced in the last.

full-size；fatigue test；failure mode；the optimization design

TH122

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.01.010

1002-6673（2015）01-029-03

2014-12-01

喬玉軍（1982-），氣動工程師。從事葉片設(shè)計。