从结构刚度到产品寿命：风电叶片疲劳寿命预测新方法

Wind turbine blades are key components for wind energy conversion in wind turbines, which are mainly composed of glass fiber reinforced polymer (GFRP). Considering the situation that 20 years service life of wind turbine blades in China is of low confidence, this project assumes that there is an inherent relationship between the fatigue life and the stiffness degradation of wind turbine blades, but so far this relationship has not been quantified. Based on this assumption and according to the order of "stiffness degradation → cumulative damage → fatigue life prediction", the “GFRP Structure” is defined firstly — which is a glued assembly of GFRP components and has some intended functions, it is the main object of the experiment. Then, using theoretical analysis and GFRP structure uniaxial /biaxial fatigue test technology, a stochastic model for the stiffness degradation of wind turbine blades under random loading will be established. Finally, through statistical analysis and GFRP structure "static test after fatigue" technique, a fatigue cumulative damage model of wind turbine blades (which can be characterized by the stiffness degradation of wind turbine blades) will be established. The above models can reveal the general law of stiffness degradation of wind turbine blades under random loading, and can quantify the relationship between the stiffness degradation and the cumulative damage of wind turbine blades. A new method for predicting fatigue life of wind turbine blades based on the stiffness degradation data is expected to be formed. The research results will have significant values for building and improving the design theory of large-scale wind turbine blades in China.

叶片是风电机组中进行风能转换的关键部件，其主材为玻璃纤维增强复合材料（GFRP）。针对我国风电叶片20年设计寿命置信度不高的现状，假设叶片疲劳寿命与其刚度退化量之间必然存在某种内在关系，只是这种关系尚未被量化揭示。基于这种假设，按照“刚度退化→累积损伤→寿命预测”的顺序，首先定义“GFRP结构”— 通过胶凝剂将GFRP部件胶接组装并赋予预期功能的组合体，它是实验研究的主要载体；其次，利用理论分析和GFRP结构单/双轴疲劳试验技术，建立随机载荷条件下叶片刚度退化的随机模型；最后，通过统计分析和GFRP结构“疲劳后静力试验”技术，建立由刚度退化量表征的叶片疲劳累积损伤模型。上述模型能够揭示叶片在随机疲劳载荷作用下刚度演变的一般规律，阐明叶片刚度退化量与疲劳累积损伤度之间的量化关系，有望形成一种根据叶片刚度退化数据预测其疲劳寿命的方法。研究结果对建立和完善我国大型风电叶片设计理论具有参考价值。

鉴于风电叶片寿命应大于等于20年的行业需求与我国当前叶片设计寿命置信度不高之间的矛盾，本项目从叶片疲劳寿命与疲劳性能退化之间的内在联系出发，研究了风电叶片性能退化的表征、叶片健康管理策略的制定及叶片寿命的预测等若干基础问题，取得成果如下：（1）在叶片疲劳性能退化方面，充分考虑叶片疲劳性能退化过程的随机性和单调性，提出了两种疲劳性能退化轨迹建模分析方法；将叶片视为悬臂梁结构，构建了其应力应变分析模型，探究了叶片刚度退化规律；基于剩余强度与剩余寿命取决于材料内部同一损伤状态的假设，分别建立了叶片复合材料剩余强度的概率模型、载荷循环次数-疲劳寿命（LT-FL）干涉模型和循环应力-剩余强度（CS-RS）干涉模型，分析了叶片强度退化规律。（2）在叶片的健康管理策略的制定方面，基于统计学理论提出了一种风场短期风速预测方法。该风速预测方法主要是将短期风速视为目标片段，通过从历史风速数据中寻找与之相似的片段来达到预测短时风速的目的。然后，基于统计学理论提出了一种疲劳试验数据概率分布表示方法，该疲劳试验数据概率分布表示能在有效描述双峰、多峰等不规则数据概率分布的同时保证较小的相对平均误差。最后，基于上述数据统计结果，在考虑环境温度影响的情况下制定叶片健康管理策略。（3）在叶片疲劳寿命预测方面，采用了试验周期短、更接近叶片实际工况的全尺寸双轴加速疲劳试验代替传统单轴试验，提出了一种直接将叶片弯矩载荷谱转化为试验载荷的新方法，以确定试验载荷，并通过一个实例验证了该方法的有效性。在上述疲劳试验研究的基础上，推导出了广义S-N曲面方程，并对传统的Miner累积损伤准则进行修正，提出了在随机载荷工况下同时考虑应力幅值和应力均值影响的叶片疲劳寿命预测方法。上述成果综合揭示了风电叶片性能退化与疲劳寿命间的量化关系，为更有效地开展风电叶片的疲劳寿命预测及可靠性试验评估提供了理论依据。