全尺寸风机叶片疲劳测试技术与弯矩匹配方法研究进展综述

　　摘   要：风机叶片作为风力发电中能量转换的关键部件，运行期间将承受大量外部载荷，极易发生疲劳失效，导致严重经济损失。为了保证叶片疲劳寿命达到设计要求，叶片装机运行前必须进行疲劳测试。测试时，叶片上的测试弯矩作为衡量叶片损伤的指标通常与预先设计的目标弯矩相差较大。为了使疲劳测试对叶片造成的损伤接近叶片实际损伤，需要在测试前采取相关措施缩小弯矩误差，此过程称为弯矩匹配。近年来叶片尺寸逐渐大型化，大型叶片的疲劳测试技术与弯矩匹配方法已成为研究的重点。概括了疲劳测试技术的工作原理，系统介绍了现有弯矩匹配研究方法，为大尺寸风机叶片疲劳测试的开展提供支持。

　　关键词：风机叶片；疲劳测试技术；弯矩匹配方法

　　研究背景

　　为保证叶片疲劳寿命达到设计要求，叶片装机前须进行疲劳测试。为了使疲劳测试对叶片造成的损伤接近叶片实际损伤，需要在测试前采取相关措施缩小弯矩误差，此过程称为弯矩匹配。研究概括了疲劳测试技术的工作原理，系统介绍了现有弯矩匹配研究方法，为大尺寸风机叶片疲劳测试的开展提供支持。

　　课题研究成果

　　以共振型疲劳测试为例，介绍了如图1所示的测试装置构成、叶片在正弦激振力作用下往复运动的测试过程以及叶片材料在反复张拉的过程中产生损伤的测试原理，并指出叶片疲劳测试执行前需要进行弯矩匹配以缩小测试时叶片上的弯矩误差。

　　图1 测试装置构成

　　疲劳测试技术分类

　　从加载方向数量将叶片测试分为单轴疲劳测试和双轴疲劳测试。从激振器类型角度，单轴疲劳测试分为强制位移型与共振型，其中共振型包括旋转质量型、电液伺服型、电动伺服型以及电磁脉冲型，如图2所示。双轴疲劳测试分为强制位移型、共振型以及混合型，如图3所示。针对不同测试方式分别介绍了测试原理以及测试特点。

　　（a）强制位移型

　　（b）旋转质量型

　　（c）电液伺服型

　　（d）电动伺服型

　　（e）电磁脉冲型

　　图2 单轴疲劳测试分类

　　（a） 强制位移型

　　（b）混合型

　　（c）共振型

　　图3 双轴疲劳测试分类

　　弯矩匹配理论发展

　　总结了目标弯矩设计过程，指出目前计算弯矩方法分为有限元法和传递矩阵法，其中有限元法采用的模型又分为壳模型和梁模型，并详细描述了基于不同弯矩计算方法设计的弯矩匹配方法。

　　图4 有限元模型

　　课题的总结和展望

　　疲劳测试作为衡量叶片疲劳寿命是否满足要求的试验，是叶片认证必不可少的一环。研究对目前疲劳测试技术以及弯矩匹配方法进行总结，为大尺寸叶片疲劳测试技术的开展提供支持。随着叶片大型化趋势日益明显，与其他加载方式相比，共振型双轴疲劳测试具有能耗低、测试周期短的优点，更符合未来大型叶片疲劳测试的测试需求，值得进一步深入研究。