题目：风轮叶片疲劳损伤演化及气动弹性研究

叶片是风力发电机组中最基础和最关键的部件，风能的提取依靠叶片，风力发电机组的大部分载荷来源于叶片，因此其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。近年来风力发电行业得到飞速发展，风力发电机组单机容量不断提高，风轮直径越来越大，塔架的高度也越来越高。随着风力发电机组塔架高度的增加，机组的维护成本也越来越高，从经济性考虑就要求叶片有比较长的寿命(一般要求使用寿命不少于20年)，而随着风轮直径的增加，叶片上作用的载荷越来越大，如何通过合适的计算方法，尽量准确地分析叶片的静强度和疲劳强度及损伤行为，并通过试验方法加以验证，是亟待解决的问题；另一方面，由于风轮直径的增加，叶片变得越来越细长，作用于其上的载荷越来越大，而叶片又常工作在大迎角状态下，如何分析叶片的气动弹性稳定性，从而保证叶片安全运行，显得十分重要。然而目前叶片的相关规范和标准对这些问题没有一个详细的要求和方法。本文主要对这些问题进行研究，深入探讨了全尺寸风轮叶片的试验方法，并且分别针对损伤演化和气动弹性发展了适用于风轮叶片的数值仿真方法。论文首先建立了叶片的壳单元模型和变截面梁模型，详细论述了壳单元模型和变截面梁模型的建模方法以及建立两种模型的必要性。在建立壳单元模型部分着重阐述对叶片复杂铺层结构的处理方法，建立变截面梁单元模型部分着重阐述复杂铺层叶片截面惯性矩和材料常数的等效方法。然后，系统地阐述了全尺寸风轮叶片试验方法，包括模态试验、静强度试验、疲劳试验的原理、方法和步骤，并完成了全尺寸叶片试验台的设计。给出了某型1.5MW叶片模态和静强度试验的过程与结果，以及750kW叶片疲劳试验的过程和结果；将模态和静强度试验结果与相应的有限元模型计算结果进行对比，验证了本文有限元建模方法的正确性；而疲劳试验结果则作为疲劳损伤演化模型的验证数据。论文所发展的风轮叶片损伤演化仿真方法是以壳单元模型为基础的。损伤模拟将刚度降定义为损伤量，进行了单向板疲劳试验，得到材料不同方向上的模量下降与疲劳循环数之间的关系，将此关系引入三维壳单元模型每个单元的每一个铺层中，由经典层合理论得到各单元刚度的下降量，从而得到单元的损伤量。同时为弥补刚度降模型的不足之处，嵌入强度降模型作为单元各铺层是否失效的判断依据。最后将叶片疲劳试验结果与损伤模拟结果进行了对比，验证了模型计算结果的正确性。变截面梁单元模型是叶片气动弹性预测模型的基础，将变截面梁单元模型与动量叶素理论和动态失速模型结合，通过MARC及其子程序FORCDT实现了叶片在不同风速下气弹响应的仿真。利用所发展的方法和程序代码，分析了某型1.5MW叶片及某型750kW叶片未损伤和损伤状态下的气动阻尼，着重分析了扭转振幅和扭转频率对气弹稳定性的影响。论文发展的叶片有限元建模方法已在叶片结构设计及产品认证方面得到了应用；全尺寸叶片试验方法已用于叶片的型式认证试验；由所发展的疲劳损伤演化仿真方法模拟得到的叶片损伤模式在叶片诸多损伤模式中具有典型性；用所建立的气动弹性分析模型对气弹稳定性影响因素分析发现，合适的扭转刚度是叶片不发生气弹失稳的基础。在叶片一阶扭转频率与低阶挥舞和摆振频率错开的情况下，只要控制扭转刚度，使叶片在所有载荷状态下，扭转振幅小于临界值，就可以保证叶片在工作中不发生颤振。