含裂纹损伤叶片在切变来流下的应力耦合性分析

针对含裂纹损伤风力机在运行过程中产生的失效现象，将切变来流作为入口条件，基于流固耦合原理，分析含不同形式裂纹损伤的风力机叶片应力分布规律。通过无人机现场实验得知，裂纹主要集中于叶根（r/R=0.10截面）和叶中（r/R=0.50截面）后缘部位。单叶片在30°方位角时应力最大，额定风速下分布于叶根的裂纹受力最大，为33.34 MPa。强风风速下分布于叶中的裂纹受力最大，为44.31 MPa。重力载荷主要影响叶根部位的受力，气动载荷则主要作用于叶中，风速越大，叶中部位的裂纹越容易产生扩展。同时，沿弦向分布的裂纹，其扩展趋势最强。对于叶根处裂纹而言，若使叶片产生失效，裂纹长度需达到弦长的1/2、深度需达到叶片厚度的1/2；对于叶中处裂纹而言，若使叶片产生失效，裂纹长度需达到弦长的3/8、深度需达到叶片厚度的1/3。     

大型水平轴风力机叶片应力特征分析

基于ANSYS软件,对某款1 500 kW大型水平轴风力机叶片的应力特征进行了分析.该水平轴风力机叶片在极限挥舞载荷的作用下,叶片大梁和叶根的整体应力水平比较高,而剪切腹板和翼板上的整体应力水平比较低,这说明叶片大梁和叶根是叶片的主要承力部件,而剪切腹板和翼板主要作用是维持叶片结构的稳定性.另外,在叶根与剪切腹板相接的角点上存在应力集中现象,其最大应力为228 MPa,但是,剔除应力集中点后,叶片大梁上的应力比叶根高,叶片大梁中部约1/3区域的应力都比较高,其最大应力为211 MPa,平均应力为180 MPa左右.此外,该叶片的最大应力仅为所采用的玻纤,环氧复合材料拉伸强度的34.8%,说明该叶片的铺层结构设计是偏于安全的,可以适当提高叶片挂机运行时的额定发电功率.     

风力机传动链齿轮齿根疲劳裂纹扩展剩余寿命评估

在叶轮气动载荷模型、柔性传动链模型和齿根弯曲应力模型的基础上,建立了随机风速下风力机传动链齿轮齿根疲劳裂纹扩展剩余寿命计算模型,对不同风速下的齿根弯曲应力进行了计算,分析了随机载荷下裂纹的扩展速率.对1.5 MW风力机太阳轮齿根疲劳裂纹的扩展进行了分析.结果表明:风力机齿轮齿根疲劳裂纹扩展寿命主要受风载荷影响,且紧急制动等冲击对裂纹扩展后期的影响不可忽视.     

基于叶片变形偏航下风力机叶片绕流流场的研究

针对偏航工况下风力机叶片与流场之间的相互作用而产生的变形影响叶片绕流流场问题,基于叶片变形对不同偏航工况下水平轴风力机叶片绕流流场进行双向流固耦合数值计算,分析偏航工况对风力机叶片变形和表面应力的影响,在此基础上研究不同偏航工况对叶片绕流流场的影响.结果表明,不同叶片上的变形和应力呈现不均匀性,且随偏航角增大,不均匀性...     

基于WPT-SVD-KELM的大型风力机叶片表面裂纹识别方法研究

为准确识别风力机叶片表面裂纹位置和长度，提出基于小波包-奇异值分解-核极限学习机（WPT-SVD-KELM）的裂纹识别方法。搭建风力机某典型叶片裂纹识别平台，开展正常叶片和含裂纹叶片的模态实验和变桨实验，获取不同工况下正常叶片和含裂纹叶片的振动信号。利用频响函数研究裂纹位置对振动信号幅频响应的影响，从而准确识别叶片表面裂纹位置，利用WPT-SVD提取风力机叶片表面裂纹振动信号的时频特征，定义参数kr表征裂纹长度的变化，并将特征参数导入优化后的KELM，从而识别风力机叶片表面裂纹长度。     

风力机叶片裂纹扩展预测与疲劳损伤评价

针对风力机叶片疲劳损伤过程难以定量评价的问题,提出一种基于裂纹扩展AE信号分形特征的疲劳损伤模糊评价方法。首先用修正系数μ改进关联维数的计算式,确定32组试样所适合的修正系数和最佳嵌入维数,然后在裂纹扩展试验中将AE信号的关联维数与加载条件、裂纹结构参数等共同组成评价疲劳损伤的影响因素集合,从试样数据中在集合近似的条件下求得权重集合,最后对某风场1.5 MW的风力机叶片进行评价,为探索风力机叶片疲劳损伤状态和裂纹扩展之间的内在规律提供了一条新思路。     

含交叉裂隙类岩石试样物理力学特性试验及其RFPA模拟

为探究含交叉裂隙试样在单轴应力下的物理力学特性,制备了与岩石力学性质相似的类岩石材料,利用预制树脂片法模拟了不同倾角交叉裂隙的情况,对其进行了单轴压缩试验,同时利用RFPA软件对不同工况进行了数值模拟。结果表明,含交叉裂隙类岩石试样在单轴应力下主要有单一裂隙扩展模式、主裂纹扩展贯通模式、次生裂纹扩展贯通模式三种破坏模式;单一裂隙扩展模式与主裂纹扩展模式下,次生裂隙尖端产生剪破坏,主裂纹尖端产生拉破坏,而次生裂纹扩展模式下主裂纹尖端产生剪破坏,次生裂纹尖端产生拉破坏,最终产生的翼裂纹与反翼裂纹属于拉剪破坏;单轴应力下的含交叉裂隙试样应力-应变曲线经历弹性变形阶段、非线性变形阶段、残余变形阶段三个阶段;主裂纹倾角对含交叉裂隙试样的峰值强度起到控制性作用,而次生裂隙仅在主裂纹倾角为0°时对试样的峰值强度有较大影响。     

5MW风力机叶片根部动力响应分析

随着风电机组的大型化,风力机叶片的长度逐渐增大,叶片在风力机转动过程中的强度成为研究的重点问题。以5 MW风力机叶片根部为研究对象,利用叶素动量理论计算风力机叶片风载荷,结合有限元分析法,研究了叶片根部的结构动力响应情况,得出叶片根部应力与变形的规律。研究结果表明,在转动过程中,叶片根部应力在一定的范围内变化,最大应力为45 MPa,叶片不会发生结构断裂现象。该结果为风力机在运行过程中的稳定性提供了参考,并且在一定程度上对风力机叶片故障诊断与状态监测提供了参考。     

圆盘内裂纹扩展断裂试验及数值模拟研究

鉴于含裂纹的巴西圆盘试验多集中于二维或表面裂纹,而对含纯封闭内裂纹的巴西圆盘断裂研究较少的问题,开展了含90°三维内裂纹的树脂巴西圆盘试样单轴压缩试验,分析了裂纹扩展过程特征,并基于M积分及最大拉应力准则研究了KⅠ、KⅡ、KⅢ分布规律,通过断裂力学有限元软件FRANC3D实现内裂纹扩展全过程模拟。结果表明,含90°内裂纹试样在单轴压缩下裂纹破坏形态为竖直张拉裂纹;达到峰值荷载29.13kN时试样瞬间被劈裂为两半,内裂纹扩展速度达到700mm/s,对试样扩展、破坏形态及断口特征产生显著影响;通过数值模拟得出内裂纹尖端扩展路径,短轴端扩展速率最大,且数值模拟结果与试验相符。     

风力发电机叶片多裂纹随机扩展和损伤容限研究

考虑多裂纹间的相互干扰,建立含多裂纹结构的随机扩展模型,基于裂纹扩展随机过程的微熵最大化原理,采用随机梯度下降法推导出裂纹扩展速率的迭代式,从而计算出多裂纹扩展至指定尺寸所需加载循环数,并证明其与自然梯度算法等同且不受学习率的影响。通过风力机叶片裂纹扩展试验,记录多裂纹和单裂纹扩展时的扩展曲线,发现多裂纹干扰对主裂纹扩展有抑制作用,并用显微镜观察裂纹的金相组织,分析多裂纹增加断裂能的主要原因是层间纤维的强介质作用。最后在损伤容限分析中比较工程估算值、试验值以及该文提出方法的预测值,结果表明,该文所提出的方法可提高裂纹扩展寿命预测精度,提供风力机叶片损伤容限分析方法。     

基于断裂力学的高压共轨燃油系统可靠性设计

共轨系统喷射压力的提高,对产品可靠性设计提出严峻挑战。如高压油道表面初始微裂纹、材料内部夹杂物等缺陷都会对产品可靠性产生重要影响。断裂力学是研究裂纹萌生及其扩展规律的科学,其揭示了材料特性、结构设计及加工工艺三者之间的内在联系。以某双油道喷油器体为例,采用断裂力学研究其在交变压力载荷作用下裂纹扩展的路径。研究结果与实际裂纹断口形貌检测结果一致。在高压共轨燃油系统的开发过程中,可应用断裂力学理论对结构应力、微裂纹大小及应力强度因子三者进行优化匹配。这对结构设计优化、加工工艺控制及关键零部件材料选择具有重要指导意义。     

复合材料风力机叶片刚度剪裁结构特性研究

复合材料风力机叶片的性能因铺层参数变化而不同,为了改善铺层方案,探讨了铺层参数对叶片结构性能的影响。基于有限元分析法,采用玻璃钢复合材料建立不同层合板结构,实现叶片材料的刚度剪裁,对1.5 MW风力机叶片铺层,并通过CFD软件模拟流场对叶片施加载荷,对叶片进行结构特性分析。对比不同铺层方式对叶片结构的影响,结果表明:叶片叶根处受到载荷最大,0°铺层纤维抗弯性能最佳;叶片几何突变区域强度主要受面内剪切应力影响,45°纤维具有最佳的抗剪能力;0°纤维起承载作用,±45°纤维起传递载荷的作用,0°和±45°纤维含量分别为90%和10%时,叶片变形量表面应力值最小,叶片整体性能较佳。     

10 MW风力机复合材料叶片结构设计研究

以DTU 10 MW风力机叶片为研究对象,基于NX参数化建模的二次开发,快速建立风力机叶片三维壳体模型,并对其进行复合材料铺层设计。进一步采用计算流体力学方法获取叶片表面气动载荷,对其进行静力学、谐响应及稳定性分析,预测其发生屈曲的可能性及位置。结果表明:叶片在极限风速下有足够安全性,其最大应力位于主腹板附近,最大应变位于主梁中部;叶片发生共振时,挥舞方向有较大幅度波动,摆振方向及叶片展向仅有小幅波动,初次共振对叶片影响最大;叶片在额定风速下未发生整体屈曲现象,仅在叶片背风面副梁帽处出现局部屈曲,增加该区域铺层材料厚度可改善此类现象。     

复合材料风力机叶片流固耦合分析方法研究

以某2 MW复合材料风力机叶片为研究对象,基于计算流体力学(CFD)和有限元法(FEM)开展风力机叶片气动力性能的流固耦合分析方法研究,重点探讨风力机叶片气动力外载荷与结构变形位移的流固耦合交界面的数据传递问题。采用RANS方程和SST k-ω湍流模型对旋转叶片周围的流场进行数值模拟,获取的叶片表面分布压力载荷通过自编的自动加载程序完整精确地传递到有限元网格节点上进行静力分析,实现流体域到固体域的数据传递。同时,根据静力分析后输出的风力机叶片表面节点变形量,建立变形后新几何体的建模方法,从而实现固体域到流体域的数据传递。     

基于S-N曲线和断裂力学的浮式风力机张力腿疲劳评估

针对风浪流联合作用下张力腿型浮式风力机筋腱的疲劳问题,提出一种基于S-N曲线与断裂力学的疲劳评估方法。通过对浮式风力机进行时域耦合分析获取张力筋腱应力时程,基于裂纹萌生S-N曲线、线性累计损伤理论评估裂纹萌生阶段寿命,并基于断裂力学Forman公式评估未穿透裂纹扩展、穿透裂纹扩展2阶段寿命。以5 MW Seastars式风力机平台为例,验证了该方法的可行性,并研究了顶张力、风浪夹角对疲劳寿命的影响。计算结果表明:穿透裂纹扩展寿命占总寿命比例极小;总寿命随预张力增大而减小,且对风浪流角度的变化较为敏感。     

偏航工况风力机叶片流固耦合特性研究

采用流固耦合方法对Tj?reborg风力机叶片在偏航工况下的三维流固耦合性能进行计算和分析。首先进行网格无关性验证,在此基础上,对轴向来流和偏航角分别为10°和30°的风力机叶片三维流固耦合性能进行计算和分析。结果表明:风力机偏航运行时风力机输出功率降低;偏航工况下叶片的变形和应力均呈非对称性分布,偏航时风力机最大叶片变形和应力集中情况较轴向来流严重。     

带预制裂隙岩石单轴压缩破裂特征颗粒流模拟

为研究带预制裂隙岩样的单轴压缩破裂特征,采用颗粒流法对带两条预制裂隙深埋大理岩样在单轴压缩条件下的变形破裂进行数值模拟研究。结果表明,单轴压缩岩样模型主要产生拉裂纹,剪裂纹在峰值应力之后产生;岩样裂纹在预制裂隙端部启裂,之后朝向主应力方向;裂纹近似平行,岩石破裂为板状,预制裂隙岩样破坏后承载力降低很快,预制裂隙影响岩样在残余强度时裂纹扩展的情况,完整岩样在残余强度时裂纹数目稳定,预制裂隙岩样在残余强度时裂纹缓慢增加,预制裂隙减小了岩样的弹性模型,减弱了岩样的启裂应力及岩样抵抗变形破坏的能力。     

基于SMA的大型风力机叶片振动被动控制研究

将SMA粘贴在大型风力机叶片的表面形成新的智能叶片结构,并探讨伪弹性SMA对叶片的振动抑制效果。采用SolidWorks与Excel软件相结合的方法建立风力机叶片三维壳体模型,基于ANSYS ACP模块对含SMA的复合材料叶片进行铺层设计,并验证该模型;考虑叶片的弯扭耦合效应及重力影响,基于有限元理论建立含SMA的运动学方程,采用模态叠加法求解其静态响应、谐响应及随机振动。分析结果表明：由于SMA的存在,不同静态载荷作用下,SMA的应力-应变之间均形成封闭的滞后环;将叶片的固有频率移向更高的频率,各阶模态对应的振幅明显降低。在振动能量带宽0.5~2.4 Hz的范围内,含有SMA层强化的风力机叶片振动能量响应值降低更为显著。     

5MW风力机塔影效应双向流固耦合分析

为了分析塔影效应对兆瓦级风力机的影响,以NREL 5 MW大型风力机为研究对象进行了风力机双向流固耦合的数值模拟。结果表明:塔筒会导致风力机叶片气动载荷的波动程度增加,叶轮受到的周向转矩与轴向推力的波动幅度是无塔筒时的3倍以上,这导致在风力机运行过程中叶轮和叶片产生的形变和应力波动加剧,且数值在总体上也有所增大,说明有塔筒时叶轮的运行状态更不稳定,塔影效应对风力机的稳定性有不利影响。     

绝对节点坐标法大型风力机复合材料叶片的动态特性

为研究大型风力机旋转复合材料叶片的非线性结构动态特性,采用绝对节点坐标法,并基于一般连续介质力学理论和复合材料本构关系,推导广义质量与刚度矩阵,建立大型风力机旋转复合材料叶片的非线性动力学模型。为描述叶片的转动,引入大范围转动连体坐标系,结合摄动原理及线性化方法,构建旋转叶片的状态方程。以非线性梁标准算例验证了模型的准确性,并以DTU-10MW风力机复合材料叶片为对象,分析了静止与旋转条件下的动态特性。结果表明,由于叶片的大型化和非线性变形特点,叶片静止时的挥舞、摆振和扭转振型存在显著耦合;由于动力刚化效应,叶片的各阶频率会随着转速的提高而改变,并对振型的挥舞和摆振产生较大影响。