大型风力机叶片多场耦合失效机理与动态可靠性设计方法研究

Stochastic loads, uncertain and time-varied parameters, and spatially varying properties are typical characteristics of wind turbine blades. Objective of the research is to propose an effective mathematical method for non-homogeneous multivariate random fields representation and discretization. By introducing globally accuracy criteria of target random fields, an adaptive discretization technique for efficient multivariate random field simulation will be developed. To account for multifield failure mechanisms (e.g. fatigue and aerodynamics) of wind turbine blades, a time-space-stochastic spectral element method will be finalized for effective uncertainty quantification of wind turbine blades. To account for system failure mechanisms of wind turbine blades, an effective statistical method based on dimensionless statistics will be presented. Efficient numerical methods for the system reliability analysis of wind turbine blades will be investigated. Given the fact that the system performance of wind turbine blades would be degraded in terms of the fatigue strength and aerodynamic characteristics, the method for time-dependent variance decomposition will be developed to screen importance random factors. The key variables, components, and failure modes and weak links will be identified. Together with the design criteria in terms of fatigue life as well as aerodynamics, the multifield reliability-based optimization will be carried out for the robust airfoil geometry of wind turbine blades.

针对大型风力机叶片载荷的时空多变性、翼型几何数量关系的渐变演化性，以及流场物性参数的空间分散性特点，研究复杂几何区域非均质耦合随机场精细表征的数学方法，引入随机场离散精度评价的全局统计量模型，提出风力机叶片多参数耦合随机场自适应离散与高效模拟的理论方法。针对风力机叶片多场耦合失效的故障机理，建立描述系统性能劣化的参数快慢变统计模型，研究叶片疲劳强度与翼型气动性能耦合不确定性分析的非侵入式时空-概率谱元理论，结合随机函数空间异量纲失效模式等价概率变换方法，提出叶片多场耦合失效判据一体化建模与稀疏逼近的理论方法，解决风力机叶片系统级失效概率高效计算的理论难题。基于叶片多场性能耦合劣化的事实，研究系统响应方差的动态分解理论，建立系统参数重要度判别的概率模型，探明诱发叶片结构疲劳与翼型气动性能耦合失效的典型因素，开展大型风力机叶片动态可靠性设计方法研究，获取满足多目标性能需求的翼型稳健拓扑结构。

根据立项计划书要求，在三维风载荷模拟与风力机叶片极限载荷概率建模方面，项目研究基于随机函数谱表示法提出了风轮平面三维脉动风场模拟方法，结合IEC规范Kaimal谱和空间自相关函数模型，研制了大型风力机风轮瞬态风载荷模拟的计算机程序，计算结果与商用软件TurbSim吻合较好；针对风力机叶片长期极限载荷概率建模问题，项目研究提出了风载荷参数不确定性积分离散的高斯点模型，较传统等距节点法具有更高计算精度和计算效率；结合峰值过阈值法和三参数威布尔模型外推给出了叶片和塔架二十年与五十年长期服役载荷的概率分布模型，为开展风力机关键结构系统的可靠性分析与设计奠定基础；在叶片与塔架结构可靠性与参数灵敏度分析方面，项目研究结合异量纲极值统计量模型建立了风力机系统可靠性分析的状态方程，基于分数阶矩最大熵优化方法提出了系统状态方程概率分布函数重构的数值方法，引入相乘型降维展开模型提出了结构可靠性参数灵敏度指标计算方法；获得了湍流强度等不确定性参数对叶片和塔架服役可靠性的影响；在数据驱动建模与翼型优化设计方面，项目研究结合折叠正态分布提出了结构可靠性水平期望提升学习函数，同时以功能函数极值点梯度信息为基础，结合松弛Karush-Kuhn-Tucker条件提出了概率-区间混合不确定性结构可靠性分析的高效数值方法；最后，项目对比分析不同阶数条件对翼型参数建模精度的影响，以NACA63418与DU93W210翼型为例开展了翼型气动性能多目标稳健优化设计研究，获得了升力、阻力和升阻比等气动性能更佳的稳健翼型拓扑结构。结合以上研究内容，项目研究共发表SCI论文15篇、中文期刊论文2篇，获批发明专利3项，获批燃气轮机和航空发动机“两机”重大专项子专题和中央高等学校基本科研业务费项目各1项，培养毕业研究生12名，参加国内外学术会议多次并做大会邀请报告1次，完成了预期研究内容，实现了预期研究目标。