本發明屬于風力發電，具體涉及一種漂浮式風電葉片等效疲勞應變的計算方法及系統。

背景技術：

1、漂浮式風電機組的技術進步是未來風電發展走向深遠海域的關鍵，而葉片作為整個機組的重要組成部分，考慮到成本、運維、安全風險等方面，其結構設計必須慎之又慎。由于整個機組設計壽命為25年，并且漂浮式葉片一直承受著風浪流耦合作用下的交變載荷，為了保證葉片在運行周期內不會發生疲勞失效，有必要對葉片疲勞應變進行評估。

2、目前行業內對葉片進行疲勞應變評估的方法有很多，同時各家整機商對葉片各部件的應變內控值不盡相同，沒有統一的標準，不利用葉片行業的發展進步。因此，結合葉片的型式測試試驗、工程實踐經驗以及對漂浮式機組安全性的高要求，開發一套計算簡單、評判高效以及結果保守的漂浮式風電葉片等效疲勞應變的計算方法和系統。

技術實現思路

1、本發明提供了一種漂浮式風電葉片等效疲勞應變的計算方法及系統，其目的是提高漂浮式風電機組葉片在運行壽命周期內的疲勞安全性，有效降低葉片因疲勞導致的損傷失效事故。

2、為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

3、一種漂浮式風電葉片等效疲勞應變的計算方法，包括：

4、根據漂浮式風電機組葉片的設計資料，構建葉片有限元模型；

5、根據構建的葉片有限元模型，輸入考慮風載、浪載和冰載耦合作用下的等效疲勞載荷數據，獲取在對應邊界條件下的葉片殼體應變值；

6、依據獲取得到的葉片殼體應變值，提取葉片前緣、后緣和主梁結構的最大應變量；

7、根據獲取得到的葉片前緣、后緣和主梁結構的最大應變量，結合葉片型式測試、工程實踐經驗，評估葉片疲勞應變的安全裕量；

8、依據評估的葉片疲勞應變的安全裕量，判斷葉片的疲勞安全性。

9、本發明進一步的改進在于，根據漂浮式風電機組葉片的設計資料，構建葉片有限元模型，包括：

10、根據漂浮式風電葉片的設計幾何信息，包括葉片長度、葉片截面翼型型號、翼型幾何數據、翼型弦長、扭角和預彎信息，構建葉片三維幾何外形；

11、依據葉片三維幾何外形，結合葉片結構鋪層設計圖紙，輸入葉片鋪層信息，包括對應位置的材料設計，并給定相對應的材料厚度，獲得葉片的結構三維模型；

12、根據葉片的結構三維模型，結合材料的測試報告，輸入所用材料的合理力學性能參數，包括橫向拉伸模量、縱向拉伸模量、泊松比、面內剪切模型和面外剪切模量，構建得到葉片有限元模型；其中要求模型使用的參數不能高于測試報告的結果。

13、本發明進一步的改進在于，根據構建的葉片有限元模型，輸入考慮風載、浪載和冰載耦合作用下的等效疲勞載荷數據，獲取在對應邊界條件下的葉片殼體應變值，包括：

14、根據葉片的設計載荷數據，獲取漂浮式風電葉片各截面處的markov疲勞載荷矩陣；

15、參照公式（1）將markov載荷矩陣轉化為s-n曲線斜率m=10的等效疲勞載荷，其中擺振方向載荷按照200萬次折合、揮舞方向按照100萬次折合；

16、

17、其中表示葉片元設計載荷，表示葉片設計運行次數，表示等效后的載荷，表示等效次數，表示應力-應變曲線斜率；

18、利用轉矩和集中力的轉化關系，將各截面等效疲勞轉矩載荷轉化為截面集中力的形式；

19、根據葉片有限元模型，在主梁位置處施加處理后的等效疲勞載荷，形式為沿葉片長度截面位置處的集中力數據；

20、利用有限元仿真軟件，仿真葉片在等效疲勞載荷工況下的受力特性，獲取葉片殼體應變值。

21、本發明進一步的改進在于，根據獲取得到的葉片前緣、后緣和主梁結構的最大應變量，結合葉片型式測試、工程實踐經驗，評估葉片疲勞應變的安全裕量，包括：

22、根據葉片的揮舞方向和擺振方向的疲勞測試結果，以及結合工程實踐經驗，確定葉片各部位的最大安全應變取值；其中擺振方向200萬次等效疲勞載荷下，前緣位置應變值不超過2800，后緣位置不超過2500；揮舞方向100萬次等效疲勞載荷下，玻板主梁不超過2000，碳纖維主梁不超過1800；

23、根據仿真獲取得到的葉片前緣、后緣、主梁結構的最大應變量，結合各部位的最大應變控制值，評估葉片疲勞應變的安全裕量，如公式（2）：

24、。

25、本發明進一步的改進在于，依據評估的葉片疲勞應變的安全裕量，判斷葉片的疲勞安全性，包括：

26、當計算的疲勞應變安全裕量大于等于1時，葉片疲勞安全性滿足要求：當疲勞應變安全裕量小于1時，葉片疲勞安全性不滿足要求。

27、一種漂浮式風電葉片等效疲勞應變計算系統，包括：

28、葉片建模模塊，根據漂浮式風電機組葉片的設計資料，構建葉片有限元模型；

29、有限元仿真模塊，根據構建的葉片有限元模型，輸入考慮風載、浪載和冰載耦合作用下的等效疲勞載荷數據，獲取在對應邊界條件下的葉片殼體應變值；

30、數據處理模塊，依據獲取得到的葉片殼體應變值，提取葉片前緣、后緣和主梁結構的最大應變量；

31、評估模塊，根據獲取得到的葉片前緣、后緣和主梁結構的最大應變量，結合葉片型式測試、工程實踐經驗，評估葉片疲勞應變的安全裕量；

32、判斷模塊，依據評估的葉片疲勞應變的安全裕量，判斷葉片的疲勞安全性。

33、本發明進一步的改進在于，葉片建模模塊中，根據漂浮式風電機組葉片的設計資料，構建葉片有限元模型，包括：

34、根據漂浮式風電葉片的設計幾何信息，包括葉片長度、葉片截面翼型型號、翼型幾何數據、翼型弦長、扭角和預彎信息，構建葉片三維幾何外形；

35、依據葉片三維幾何外形，結合葉片結構鋪層設計圖紙，輸入葉片鋪層信息，包括對應位置的材料設計，并給定相對應的材料厚度，獲得葉片的結構三維模型；

36、根據葉片的結構三維模型，結合材料的測試報告，輸入所用材料的合理力學性能參數，包括橫向拉伸模量、縱向拉伸模量、泊松比、面內剪切模型和面外剪切模量，構建得到葉片有限元模型；其中要求模型使用的參數不能高于測試報告的結果。

37、本發明進一步的改進在于，有限元仿真模塊中，根據構建的葉片有限元模型，輸入考慮風載、浪載和冰載耦合作用下的等效疲勞載荷數據，獲取在對應邊界條件下的葉片殼體應變值，包括：

38、根據葉片的設計載荷數據，獲取漂浮式風電葉片各截面處的markov疲勞載荷矩陣；

39、參照公式（1）將markov載荷矩陣轉化為s-n曲線斜率m=10的等效疲勞載荷，其中擺振方向載荷按照200萬次折合、揮舞方向按照100萬次折合；

40、

41、其中表示葉片元設計載荷，表示葉片設計運行次數，表示等效后的載荷，表示等效次數，表示應力-應變曲線斜率；

42、利用轉矩和集中力的轉化關系，將各截面等效疲勞轉矩載荷轉化為截面集中力的形式；

43、根據葉片有限元模型，在主梁位置處施加處理后的等效疲勞載荷，形式為沿葉片長度截面位置處的集中力數據；

44、利用有限元仿真軟件，仿真葉片在等效疲勞載荷工況下的受力特性，獲取葉片殼體應變值。

45、本發明進一步的改進在于，評估模塊中，根據獲取得到的葉片前緣、后緣和主梁結構的最大應變量，結合葉片型式測試、工程實踐經驗，評估葉片疲勞應變的安全裕量，包括：

46、根據葉片的揮舞方向和擺振方向的疲勞測試結果，以及結合工程實踐經驗，確定葉片各部位的最大安全應變取值；其中擺振方向200萬次等效疲勞載荷下，前緣位置應變值不超過2800，后緣位置不超過2500；揮舞方向100萬次等效疲勞載荷下，玻板主梁不超過2000，碳纖維主梁不超過1800；

47、根據仿真獲取得到的葉片前緣、后緣、主梁結構的最大應變量，結合各部位的最大應變控制值，評估葉片疲勞應變的安全裕量，如公式（2）：

48、。

49、一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質存儲有計算機程序，所述計算機程序當被處理器執行時實現所述的一種漂浮式風電葉片等效疲勞應變的計算方法的步驟。

50、與現有技術相比，本發明至少具有以下有益的技術效果：

51、本發明提供的一種漂浮式風電葉片等效疲勞應變的計算方法及系統，針對漂浮式風電葉片在風浪流耦合作用下承受的交變載荷，結合葉片的全尺寸型式測試以及工程實踐經驗，開發了一套漂浮式風電葉片等效疲勞應變的計算方法和系統。其具有計算方法簡單、評估高效、結果相對保守等優點，同時給定了葉片在對應等效疲勞次數下的各部位的應變控制值，為后期葉片在疲勞應變值控制層面上提供指導，有效保證漂浮式風電葉片的疲勞結構安全性。