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《兰州理工大学》 2019年
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复合材料风电叶片刚度退化模型研究

寇海霞  
【摘要】:风电叶片(以下简称叶片)是风电机组捕获风能的关键部件。近年来,随着风电机组单机容量的不断增加,叶片尺寸相应增大,随之引起的叶片质量问题日渐突出。对于结构扁平、轻质、柔性复合材料叶片,在随机变向、变载荷的风力持续作用以及强阵风的瞬时冲击下,其故障概率已高达40%。面对如此严峻的形势,如何高精度、高效率地分析复合材料叶片的疲劳性能对提高叶片疲劳寿命及保障叶片安全高效运行至关重要。本文以探究复合材料叶片疲劳性能的演变规律为目标,选择刚度作为表征复合材料及其构件疲劳性能的特征参数,基于叶片“材料级”-“结构级”-“产品级”的递进式研究思路,分别对叶片复合材料层合板、叶片主梁子结构(复合材料工字梁)以及复合材料叶片的刚度退化规律进行系统研究,为叶片服役寿命预测及风电装备建设提供理论依据。本文主要的贡献包括以下几个方面:(1)建立叶片复合材料层合板全寿命周期的刚度退化模型。基于复合材料层合板的疲劳损伤模式,充分考虑层合板损伤演化过程的阶段性和非线性特征,利用复合材料损伤理论、Paris公式以及非线性数学模型,建立一种叶片复合材料层合板全寿命周期的刚度退化模型,即叶片“材料级”刚度退化模型。案例分析表明,相比于现有的刚度退化模型,本文提出的叶片复合材料层合板的刚度退化模型精度更高,能够准确地描述叶片复合材料层合板全寿命周期的刚度退化过程。(2)建立叶片主梁子结构(复合材料工字梁)的刚度退化模型。以探究叶片主梁结构的刚度退化规律为切入点,引入叶片子结构概念,选择一种同时具备叶片梁帽、腹板以及粘接层的复合材料工字梁模拟截面呈“工”字形的叶片主梁结构,采用经典层合板理论、复合材料损伤理论以及连续介质损伤力学理论,依次对复合材料工字梁的静力学特性和疲劳特性进行分析,并建立基于渐进疲劳损伤的复合材料工字梁(含粘接层)刚度退化模型,即叶片“结构级”刚度退化模型。验证结果表明,该模型能够很好地表征复合材料工字梁在疲劳载荷工况下的刚度退化过程,且粘接层是该复合材料工字梁的结构薄弱环节。(3)建立基于损伤演化过程的复合材料叶片刚度退化模型。根据全尺寸疲劳试验中对叶片刚度的定义,从宏观唯象的角度出发,充分考虑叶片刚度退化过程的阶段性和非线性特征,以复合材料层合板的损伤演化过程为依据,结合疲劳损伤累积模型的两个边界条件,采用函数构造法,提出基于损伤演化过程的复合材料叶片刚度退化模型,即叶片“产品级”刚度退化模型,并利用某2.5MW叶片的全尺寸疲劳试验数据对所建模型的正确性进行验证,同时将该模型与叶片“材料级”和“结构级”刚度退化模型进行对比分析。分析结果表明,叶片“产品级”刚度退化模型在描述叶片的刚度退化过程时,其模型精度相对最高。在此基础上,作为叶片“产品级”刚度退化模型的应用与延拓,对该2.5MW叶片在全尺寸疲劳试验条件下的疲劳寿命进行预测。(4)建立基于随机过程的复合材料叶片刚度退化模型。针对叶片刚度退化过程具有的随机性和单调性特征,从统计学角度出发,引入具有严格单调特性的Gamma过程和Inverse Gaussian(IG)过程,建立基于随机过程(Gamma和IG)的复合材料叶片刚度退化模型,即叶片“产品级”刚度退化模型,并利用某2.5MW叶片的全尺寸疲劳试验数据以及叶片的疲劳失效准则,通过预测该叶片在全尺寸疲劳试验条件下的疲劳可靠寿命对所建模型的合理性进行对比性验证。验证结果表明,在相同的试验条件下,相比于Gamma过程,IG过程能够更准确地表征复合材料叶片在全尺寸疲劳试验条件下的刚度退化过程。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB33;TM315

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