大型直驱风力发电机叶片疲劳寿命分析

发布时间：2020-09-19 17:16

　　 大型直驱风力发电机的叶片部位是风电机组中最为重要的工作部件,所处工作环境十分恶劣,通常承受复杂的随机变幅载荷作用,很容易发生疲劳破坏,从而导致风轮乃至整个风电机组失效停机。为了提高风电机组在使用时的可靠性,有必要对叶片部位的疲劳寿命进行准确地预估。在对叶片进行疲劳寿命分析之前,本文对作用于叶片的各类型载荷进行研究,利用电阻应变片传感器对叶片所承受的随机变幅载荷进行现场实测,继而构建了一套载荷信号采集与处理的系统,并对所采集到的载荷数据进行相应的预处理操作,滤除影响信号精度的无关信号,从而获取真实可用的原始宏观载荷数据。对叶片的疲劳寿命进行分析和估算时,需要对叶片的强度和变形进行分析校核,本文利用Profili翼型设计软件与Pro/E三维制图软件,构造出风力机叶片的几何模型,并将其导入到ANSYS有限元分析软件中,通过划分网格等操作进行处理,构造出风力机叶片的有限元模型,通过ANSYS中求解模块对叶片应力分布情况与变形情况进行分析计算,结果表明符合强度设计要求。同时采用求取分级等效载荷的方法将连续应力载荷谱阶梯化处理为离散应力载荷谱,使数据处理量和数据分析工作量大大减少,为叶片疲劳寿命估算提供了有效的数据支持。在对风力机叶片进行疲劳寿命估算时,需要考虑到对材料疲劳寿命估算精度产生重要影响的载荷间相互作用效应。但当前研究成果中疲劳寿命估算方法大都难以将此效应考虑在内,从而导致材料的疲劳寿命估算误差较大。为了更加精确地对风力发电机叶片的疲劳寿命进行估算,本文提出将泊松随机过程理论与伴随损伤理论相结合的疲劳寿命估算方法对叶片疲劳寿命进行分析估算,即采用泊松随机过程相关分布函数来对叶片所受随机载荷的时序分布情况进行描述,同时借助断裂力学相关理论对材料疲劳损伤机理进行深入研究,采用伴随损伤理论中相关函数公式对载荷间相互作用效应进行定量分析,并将基于两种理论所求得的函数表达式结合起来联立求解,最终得出可以充分考虑载荷间相互作用效应影响的疲劳损伤累积计算方法。以该方法估测随机加载条件下45钢试件的疲劳寿命,并将所得结果与试验数据进行对比,误差仅为11%,与当前研究中的疲劳寿命估算方法相比精度更高。最后,以该方法对风力机叶片的疲劳寿命进行估算,结果符合强度设计要求,为风力发电机叶片的疲劳寿命分析及可靠性分析提供了一种新的方法和途径。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TM315

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本文编号：2822787