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風電葉片疲勞試驗損傷在線評估的研究
1、風電葉片疲勞加載系統(tǒng) 風電葉片疲勞加載系統(tǒng)如圖 1 所示，將葉片一端 固定在塔筒上，在葉片上安裝激振器對其進行激勵， 使葉片產生上下擺動。在葉片主要截面上布置應變傳 感器，采集加載過程中葉片表面的應變數據，用于計算疲勞損傷。
2、疲勞損傷理論和載荷許用循環(huán)次數確定 對葉片進行等幅疲勞加載時，材料承受載荷與載 荷許用循環(huán)次數之間的關系通過 S - N 曲線來描述， 如圖 2 所示。金屬材料的 S - N 曲線一般由試驗測 定，但對于葉片的復合材料而言，試驗數據較少，一般 通過經驗方程描述。工程上**常用的是冪函數形式的 經驗方程。
3、由 Markov 頻次矩陣計算疲勞損傷 疲勞載荷歷程中的每個峰谷點，都是一種特定的 載荷狀態(tài)，載荷歷程就是載荷狀態(tài)的不斷變換。利用 Markov 頻次矩陣計算疲勞損傷，即求取一段載荷歷 程中不同載荷循環(huán)出現的頻次，并據此累計該段載荷 歷程造成的總損傷。Markov 頻次矩陣是一個二維方 陣，如表 1 所示，其第 i 行第 j 列的元素 nij 表示前一 次載荷為 si，后一次載荷為 sj 的情況在特定數據段中 總共出現了 nij 次。
4 、葉片載荷數據實時處理 進行風電葉片疲勞加載試驗時，葉片某截面的彎 矩通過該截面的應變測量值乘以靜態(tài)標定系數求得， 未經處理的彎矩波形中包含了很多噪聲信號，如圖 4 （a）所示。為從彎矩波形中獲取彎矩峰谷值序列，須對 彎矩波形進行**小二乘二次擬合。 每次從彎矩波形中讀取一段數據段 （xi，yi ）（i = 1，2，…，m），為保證擬合曲線峰谷值位置的準確性， 應滿足數據長度 2 ≤ m ≤ mλ/4（mλ 為兩個**近波峰 之間的數據長度）。利用二次曲線 p（x）= a + bx +cx2擬合數據段，則數據段與擬合曲線的均方誤差可 表示為： Q（a，b，c）= m i = 1 Σ（p（xi ）- yi ）2 = m i = 1 Σ（a + bxi + cxi 2 - yi ）2
5、葉片疲勞損傷實時評估軟件程序設計 采用“生產者-消費者”設計模式來實現載荷數據 的在線處理。通過 LabVIEW 和某型動態(tài)應變儀的上 位機軟件共享物理內存來獲得應變數據，存儲在緩沖 區(qū)中。數據處理程序每隔一定時長從緩沖區(qū)中讀取數 據并進行損傷計算，并將結果寫入數據庫。若主要截 面有 12 個，應變儀采樣頻率為 50Hz，數據處理程序 每隔 10 s 讀取一次數據，則單次需要處理的數據量 為 6 000 個，處理時間 t ＜ 1 s，不會造成緩沖區(qū)溢出。 軟件實現流程如圖 5 所示。
6 、實驗效果 為驗證風電葉片疲勞試驗損傷實時評估系統(tǒng)的 準確性，對某型 56.5 m 葉片疲勞加載試驗的損傷分 別進行實時處理和后處理，兩者結果對比如圖 6 所 示，圖 6 中 PS 面為葉片迎風面，水平固定時朝上，SS 面為背風面，水平固定時朝下。可看出，實時處理的結 果和后處理的結果基本吻合，但各截面實時處理的結 果普遍比后者偏高 2%左右。這是由于進行后處理時， 為了提高程序運行效率，對彎矩峰峰值小于額定值 80%的數據進行了舍棄，而實時評估系統(tǒng)則考慮了所 有載荷造成的損傷。
結論 （1） 對風電葉片疲勞試驗損傷數據進行實時處 理，每次處理的數據量非常有限，降低了對計算機運算能力的要求； （2）風電葉片疲勞試驗中的載荷變化近似符合正 弦曲線，通過二次擬合后可由求導方式直接獲得載荷 峰谷值，不必進行“雨流法”循環(huán)計數； （3）進行風電葉片疲勞損傷實時評估可以在疲勞 試驗過程中及時獲知葉片各截面損傷情況，且整個加 載周期的累計結果和載荷數據后處理的結果基本一 致，具備及時性和準確性。
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