风力机玻璃钢叶片疲劳寿命分析.pdf

第25卷第5期 太 阳 能 学 报 v01．25，No．5 2004 ENERGIAESOLARJSsINICA Oct·t 2004年lO月 ACTA 文章编号：0254舶96(2004)05国592J时 风力机玻璃钢叶片疲劳寿命分析 李德源， 叶枝全，陈 严， 包能胜 (汕头大学能源所，汕头515063) 摘要：该文对大型风力机玻璃钢叶片疲劳寿命的工程估算方法进行了研究。运用片条理论分析了影响风力机 叶片疲劳寿命的气动载荷分布；根据有限元模态叠加法，计算了叶片在气动力、重力和旋转惯性力等确定性载 荷作用下的动态应力响应；介绍了玻璃钢材料的疲劳破坏过程、破坏准则，探讨了玻璃钢材料疲劳性能及疲劳 寿命估计方法；最后，运用PalmgrenMiner的线性疲劳损伤累积法则提出了一种玻璃钢叶片安全寿命估计方法。 通过所设计的1．5兆瓦变速变桨距风力机叶片疲劳寿命估计的算例表明，本文提出的玻璃钢叶片疲劳寿命估计 方法是可靠和实用的。 关键词：风力机；玻璃钢叶片；疲劳寿命 中图分类号：TK83 文献标识码：A “国家高技术研究发展计划(863计划)”，研究大 O 引 言 型风力机叶片的任务，针对玻璃钢叶片，利用较精 玻璃钢叶片的结构、强度和稳定性对风力机组 的可靠性起着重要的作用。由于作用在叶片上的载 能怕o；运用模态叠加法，计算了叶片在气动载荷 荷具有交变性和随机性，因而其振动的发生是必然 和重力、惯性力等周期载荷作用下的动力响应；采 的，同时，随机载荷引起风力机结构和控制系统的 用PalmgrenMiner的线性疲劳损伤累积法则，探讨 响应，作用在叶片上的气动力和力矩发生变化，使 了玻璃钢叶片的安全寿命疲劳计算方法。 风力机产生疲劳破坏。研究表明，风力机叶片的使 本文气动性能计算采用英国GHP公司的 for 用寿命主要取决于疲劳寿命。 “Bladed 叶片疲劳寿命分析的主要困难在于其结构和作 叶片结构及载荷的复杂性，动力分析采用有限元等 用于结构上载荷的复杂。叶片承受确定性和随机的 数值分析方法，有限元分析软件采用国际流行的有 载荷，随机载荷是由于风速和风向变化的随机性所 限元分析软件ANSYS5．7进行。 引起的，确定性载荷如重力、离心惯性力等，此 1叶片载荷分析 外，还有起动、关机、变距和偏航等由控制机构产 生的荷载。叶片疲劳分析应考虑上述荷载组合影 风力机叶片的载荷包括确定性和随机两种性质 响，分析叶片在这些载荷作用下的动态应力以及它 的载荷，在疲劳设计过程中，为简化载荷计算，可 对叶片疲劳破坏影响的大小。 把叶片上的荷载均视为确定性的。确定性载荷又可 玻璃钢叶片疲劳分析尽管很困难，但由于它的 分为瞬时和周期性荷载，典型的瞬时荷载如受叶片 重要意义而受到重视，近年来有了较大的进 阵风以及控制机构产生的起动、停车、紧急刹车、 展¨。。。由于疲劳寿命的估计涉及到许多不确定的 变矩等，这些载荷出现的次数在整个叶片寿命中占 随机因素，目前能够具有一定可靠性又简便实用的 的比例不多，在叶片疲劳分析中可忽略。周期