大型风力机叶片疲劳寿命分析

叶片是风力发电设备的关键部件。在过去的十年间,风电产业得到了迅猛发展,总装机容量大幅度攀升,风力机功率不断增大,如今1～2MW成为市场主流机型,3MW及5MW已投入运行,风力机叶轮尺寸从40米增加到120米。在风力机预计寿命20年的时间内,循环超过108次。由于风力机运行环境恶劣,叶片承受各种复杂载荷的共同作用,很容易发生破坏,而疲劳破坏是最主要的破坏形式。对其进行疲劳分析具有重要意义,疲劳寿命评估是疲劳分析的最终目的。 本文首先对叶片复杂的载荷情况进行了分析,详细地总结了三种主要载荷的计算方法,运用GH Bladed软件中的动态模拟功能,选取三维各项异性的vonKarman湍流风模型,对正常运行工况进行了模拟,输出了叶片疲劳载荷。又运用FAST软件针对同一风力机叶片计算了疲劳载荷,二者分析结果基本相近。 本文应用ANSYS的应力分析功能,计算了叶片在各种载荷作用下的应力大小；介绍了几种常用的S-N曲线及估算条件疲劳极限的经验模型,并选取指数函数S-N曲线作为寿命评估的疲劳性能曲线。 最后,本文根据Weibull分布函数确定的风速分布数据,结合风速分布百分数与应力循环百分数对应的假设条件确定的每种工作应力对应的循环百分比,以及选取的S-N曲线确定的每种应力对应的材料循环寿命,运用Palmgren-Miner线性累积损伤法则对1.5MW风力机叶片进行了寿命分析,预测寿命约23年,与设计寿命相近。 通过寿命计算实例分析表明,本文总结应用的风力机叶片疲劳寿命计算方法是一种可行的计算方法。