一种风力机叶片主梁分层损伤的定量化修复决策方法技术

本发明专利技术属于风力机叶片技术领域，尤其涉及一种风力机叶片主梁分层损伤的定量化修复决策方法。其解决了现有技术空白，突破风力机叶片主梁修复决策实施的技术难题。包括：步骤1、针对风力机叶片主梁分层损伤，建立叶片剖面铺层结构的矩形单元，计算剖面刚度等结构特性；步骤2、建立叶片主梁分层损伤对全尺寸叶片叶尖变形影响程度的量化计算方法；步骤3、建立多修复参数量化搭配的试验研究方法，计算修复成本；步骤4、建立修复决策分段函数表达模型，确定4种修复决策的定量化方法。定4种修复决策的定量化方法。定4种修复决策的定量化方法。

【技术实现步骤摘要】
一种风力机叶片主梁分层损伤的定量化修复决策方法


[0001]本专利技术属于风力机叶片
，尤其涉及一种风力机叶片主梁分层损伤的定量化修复决策方法。

技术介绍

[0002]风电研发团队研究了风电系统故障概率、故障造成的停机时间和结构损伤运维技术，研究表明叶片是重点投入运维检修的风力机关键承载结构。因此，风力机叶片被视为风力发电系统的关键里程碑型部件，主梁作为叶片结构的主要承力构件，其良好的结构特性是保障叶片安全运行的重要基础。目前，在役风力机叶片的主梁基本采用真空灌注成型方法，其铺层层数达数十层，受树脂性能、流道布局等工艺因素的影响，极容易产生褶皱、孔隙等原生缺陷，随着叶片服役年限增加，主梁内部弥散分布的原生缺陷在服役过程中受耦合载荷作用引起了局部应力集中而逐渐演化为分层，这种分层损伤导致叶片局部强度和刚度的显著降低，甚至可能造成叶片整体灾难性破坏。由此可见，开展风力机叶片主梁分层损伤修复决策方法的研究势在必行。
[0003]面对巨大的风电运维市场和叶片主梁避无可避的原生缺陷诱发的分层行为，损伤修复技术已经成为保障叶片安全服役全生命周期的重要支撑手段。不良的分层损伤修复无法有效恢复叶片持续承载能力，还可能造成分层损伤的主要诱因被隐藏和掩盖，使得修复技术“治标不治本”，这是造成分层损伤修复效率低下的主要原因。而且，无效的修复不仅使修复成本不可控，又会因为刻意的降本目标导致修复参数设计不当，导致修复局部成为在役叶片的最薄弱结构区域，致使在役叶片服役短期后又面临损伤复发，不得不采取二次修复，引起修复成本的无限量增大，更可能诱发主梁修复后叶片断裂，造成更大的经济损失。此时，没有形成以修复成本为目标、可直接指导工程实施的定量化修复决策模型，使得我国风力机叶片分层损伤修复参数经验化、修复成本模糊化的技术现状成为叶片运维行业嗤之以鼻的痛点。因此，提出一种适用于叶片主梁分层损伤的精准计算修复成本的定量化修复决策方法的表达模型，从一定程度上可以缓解叶片运维效率不高、维护成本高昂等顽疾，对于保证修复决策在最大化安全裕度和最小化经济成本中寻求平衡具有巨大的工程应用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种风力机叶片主梁分层损伤的定量化修复决策方法。其解决了现有技术空白，突破风力机叶片主梁修复决策实施的技术难题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案，风力机叶片主梁分层损伤的定量化修复决策方法，包括：
[0006]步骤1、针对风力机叶片主梁分层损伤，建立叶片剖面铺层结构的矩形单元，计算剖面刚度等结构特性；
[0007]步骤2、建立叶片主梁分层损伤对全尺寸叶片叶尖变形影响程度的量化计算方法；
[0008]步骤3、建立多修复参数量化搭配的试验研究方法，计算修复成本；
[0009]步骤4、建立修复决策分段函数表达模型，确定4种修复决策的定量化方法。
[0010]进一步地，所述风力机叶片主梁分层损伤的分层位于叶片主梁层合板层间或表面，分层在几何特征定义上为分层展向位置、分层宽度和分层深度(分层层数)，分层区域的铺层不参与结构特性计算。
[0011]进一步地，所述计算剖面刚度等结构特性(步骤1中)包括：
[0012]步骤1.1、叶片结构剖面为翼型形状，将翼型几何外形按照等分法离散为200个坐标点用于计算铺层刚度特性；
[0013]步骤1.2、以翼型剖面两个相邻的几何坐标点作为矩形单元长度段，采用h1代表为第1层蒙皮层厚度后定义为第i个矩形单元，i＝1，2
…
N，N定义为剖面最多单元数，翼型剖面划分为200个坐标点后将抽样出N＝199个矩形单元，定义矩形单元长边与剖面弦长方向的夹角θ；
[0014]此时，第i个矩形单元ABCD点坐标为D(Z[i],Y[i]),C(Z[i+1],Y[i+1]),A(Z'[i],Y'[i]),B(Z'[i+1],Y'[i+1])；
[0015]其中，顶点C和D坐标由翼型剖面几何外形直接提取；
[0016]矩形单元顶点A坐标计算为Z'[i]＝Z[i]‑
h1*cosθ，Y'[i]＝Y[i]+h1*sinθ，
[0017]顶点B坐标计算为Z'[i+1]＝Z[i+1]‑
h1*cosθ，Y'[i+1]＝Y[i+1]+h1*sinθ；
[0018]步骤1.3、计算矩形单元对挥舞摆振坐标系的二阶惯性矩：
[0019][0020][0021]式中，ΔZ'＝h1*cosθ，ΔY'＝h1*sinθ；
[0022]步骤1.4、(叶片剖面每个矩形单元加权求和，)计算第1层蒙皮层的二阶惯性矩为
[0023]其他铺层的矩形单元的算法，与第1层蒙皮铺层的算法相同；(故其他的固有特性的算法与蒙皮铺层算法相同；且，铺层N的矩形单元的算法，与第1层蒙皮铺层的矩形单元的算法相同，故铺层N的固有特性的算法蒙皮铺层算法相同；)
[0024]步骤1.5、计算叶片剖面的结构刚度EI
ZZ
＝∑(E
j
I
ZZj
)，EI
YY
＝∑(E
j
I
YYj
)，式中，j代表叶片结构中第j种材料，j＝1，2
…
M，M定义为剖面最多选材数量；E
j
为j材料的纤维方向弹性模量，如环氧0
°
单向布E＝40GPa，
±
45/0
°
环氧三轴布E＝28GPa，
±
45
°
环氧双轴布E＝14GPa；EI
ZZ
代表剖面挥舞刚度，EI
YY
代表剖面摆振刚度。
[0025]具体地，叶片的每一个截面，包含多个铺层，每个铺层对应的材料属性及单层厚度不同，对各个铺层材料加权求和，得到叶片剖面的结构刚度。且按照矩形单元计算完成叶片各个结构剖面的刚度特性后，将叶片剖面沿展向由叶根至叶尖按等距离法离散为多个剖面段，将刚度用对数坐标形式表征，采用散点拟合得到沿叶片展向分布的挥舞刚度和摆振刚度。
[0026]进一步地，(步骤2中)建立叶片主梁分层损伤对全尺寸叶片叶尖变形影响程度的量化计算方法包括：
[0027]步骤2.1，根据剖面弯矩、挥舞刚度、摆振刚度计算第s个剖面的曲率为：s＝1，2
…
L，L定义为沿叶片展长方向离散的最多剖面数；式中，M
y
为绕挥舞摆振坐标系y轴的挥舞弯矩，M
z
为绕挥舞摆振坐标系z轴的摆振弯矩；
[0028]步骤2.2，计算第s个剖面曲率：
[0029][0030][0031]式中，β为剖面弦长相对叶尖弦长的扭角；
[0032]步骤2.3，叶片剖面累积转角计算为：
[0033][0034][0035]式中，第1个叶根剖面的及x为叶片展长方面离散的剖面展长，x
s
为第s个叶片剖面的展长，x<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风力机叶片主梁分层损伤的定量化修复决策方法，其特征在于：包括：步骤1、针对风力机叶片主梁分层损伤，建立叶片剖面铺层结构的矩形单元，计算剖面刚度等结构特性；步骤2、建立叶片主梁分层损伤对全尺寸叶片叶尖变形影响程度的量化计算方法；步骤3、建立多修复参数量化搭配的试验研究方法，计算修复成本；步骤4、建立修复决策分段函数表达模型，确定4种修复决策的定量化方法。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述风力机叶片主梁分层损伤的分层位于叶片主梁层合板层间或表面，分层在几何特征定义上为分层展向位置、分层宽度和分层深度，分层区域的铺层不参与结构特性计算。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述计算剖面刚度等结构特性包括：步骤1.1、叶片结构剖面为翼型形状，将翼型几何外形按照等分法离散为200个坐标点用于计算铺层刚度特性；步骤1.2、以翼型剖面两个相邻的几何坐标点作为矩形单元长度段，采用h1代表为第1层蒙皮层厚度后定义为第i个矩形单元，i＝1，2
…
N，N定义为剖面最多单元数，翼型剖面划分为200个坐标点后将抽样出N＝199个矩形单元，定义矩形单元长边与剖面弦长方向的夹角θ；此时，第i个矩形单元ABCD点坐标为D(Z[i],Y[i]),C(Z[i+1],Y[i+1]),A(Z'[i],Y'[i]),B(Z'[i+1],Y'[i+1])；其中，顶点C和D坐标由翼型剖面几何外形直接提取；矩形单元顶点A坐标计算为Z'[i]＝Z[i]
‑
h1*cosθ，Y
′
[i]＝Y[i]+h1*sinθ，顶点B坐标计算为Z'[i+1]＝Z[i+1]
‑
h1*cosθ，Y'[i+1]＝Y[i+1]+h1*sinθ；步骤1.3、计算矩形单元对挥舞摆振坐标系的二阶惯性矩：步骤1.3、计算矩形单元对挥舞摆振坐标系的二阶惯性矩：式中，ΔZ'＝h1*cosθ，ΔY'＝h1*sinθ；步骤1.4、计算第1层蒙皮层的二阶惯性矩为其他铺层的矩形单元的算法，与第1层蒙皮铺层的算法相同；步骤1.5、计算叶片剖面的结构刚度EI
ZZ
＝∑(E
j
I
ZZj
)，EI
YY
＝∑(E
j
I
YYj
)，式中，j代表叶片结构中第j种材料，j＝1，2
…
M，M定义为剖面最多选材数量；E
j
为j材料的纤维方向弹性模量，如环氧0
°
单向布E＝40GPa，
±
45/0
°
环氧三轴布E＝28GPa，
±
45
°
环氧双轴布E＝14GPa；EI
ZZ
代表剖面挥舞刚度，EI
YY
代表剖面摆振刚度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：建立叶片主梁分层损伤对全尺寸叶片叶尖变形影响程度的量化计算方法包括：步骤2.1，根据剖面弯矩、挥舞刚度、摆振刚度计算第s个剖面的曲率为：
s＝1，2
…
L，L定义为沿叶片展长方向离散的最多剖面数；式中，M
y
为绕挥舞摆振坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧，周勃，张雪岩，俞方艾，包洪兵，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：