风电叶片全尺寸静力加载测试载荷扰动分析

目前，风电行业是新能源领域重点发展的新兴产业，截至 2021 年底，全球累计海上风电容量达到 56GW，相较于 2020 年增长了 58%。风电叶片作为整个机组中重要的组成部分，其结构强度和设计的可靠性是保证机组安全稳定运行的重要环节。根据国际电 工委员会 IEC 61400-23 的风电叶片标准，叶片设计 厂家需要对新研制的叶片进行全尺寸结构静力加载试 验。在叶片静力加载试验中，需要对叶片采用多点加 载的方法，将叶片实际运行过程受到的极限载荷等效 为多个加载点的静力载荷，多点静力载荷通常需要按 照一定的流程逐步施加在叶片上，使被测叶片的弯矩 分布与实际弯矩分布尽可能一致，从而模拟整个叶片 的受力情况。在实际静力加载试验中，由于多点加载 力的耦合效应以及动滑轮和加载缆索构成的弹簧系统 抖动产生的载荷扰动，均会使叶片在加载测试中受到 波动的载荷，进而导致叶片受到的实际载荷曲线与目 标载荷曲线之间的误差不能满足精度要求，该情况也 是叶片静力加载过程中普遍存在的问题。 针对上述问题，考虑到神经网络 PID 自整定算法 具有较强的适应性和学习能力，张鑫鑫等提出一 种模糊控制和预测理论相结合的动态控制算法以实现 叶片五点静力加载解耦控 制; 乌 建 中 等 通 过 BP ( Back Propagation) 神经网络 PID 自整定算法实现了三 点静力加载的解耦控制; 周爱国等提出一种变步长 BP 神经网络自整定算法，通过改变刚度和耦合矩阵的 方式实现了叶片六点静力加载解耦控制。上述研究主 要侧重于对加载点之间的加载力相互耦合的现象提出 改进的解决方案，能够在实际的静力测试中减小加载力 之间的耦合效应，提高加载精度。然而除了多点加载力 之间的耦合效应会降低测试精度外，动滑轮和加载缆索 构成的弹簧系统在加载过程中产生的动态响应也会产 生载荷扰动，进而影响叶片所受到的测试载荷。 针对动滑轮和加载缆索构成的弹簧系统的动态特性对叶片产生载荷干扰的问题，本文建立了叶片 － 加 载缆索 － 动滑轮动力学模型，并使用 Simulink 和 Ad—ams 对该动力学模型进行仿真，分析了叶片和动滑轮 之间位置参数对叶片和动滑轮振动特性的影响。*** 对某型叶片采取四点静力加载试验，对比验证了叶片 和动滑轮之间的位置参数对载荷曲线精度的影响。

1 叶片 － 加载缆索 － 动滑轮动力学模型 

风电叶片全尺寸静力加载测试系统主要由叶片、 加载缆索、动滑轮和加载支架构成，如图1 所示。叶 片安装在测试基座上，加载支架通过动滑轮对叶片施 加载荷，叶片在多点加载力的作用下发生形变。此外， 叶片和动滑轮之间连有加载缆索。由于加载缆索的弹 性变形较小，在现有的研究分析中，通常把加载支架和 叶片之间的部件视为刚性，从而忽略了动滑轮和加载 缆索构成的弹簧系统动态特性对叶片的影响。而在实 际的多点静力加载试验中，动滑轮和加载缆索的抖动现象时有发生，为了准确分析动滑轮抖动对叶片的影 响，需要建立叶片 － 加载缆索 － 动滑轮动力学等效模 型来分析动滑轮和加载缆索构成的弹簧系统对叶片的 影响。

2  仿真模型 

2． 1 Simulink 仿真分析 

根据建立的动力学微分方程，可利用 MATLAB 软 件搭建等效的 Simulink 模型。为了对比有无动滑 轮和加载缆索构成的弹簧系统的差异性，分别建立了 叶片 － 加载缆索 － 动滑轮的 Simulink 模型和叶片 － 加 载力的 Simulink 模型。 选取某型 56 m 叶片的等效参数、动滑轮的初始参 数和加载缆索的参数，如表 1、表 2 所示。查阅机械振 动可知，加载缆索的等效刚度约为等效杆单元刚度 的 1 /5，故选取表 3 所示的加载缆索参数。

2． 2 Adams 仿真分析

由于加载支架的位置受限于测试大纲和现场安装 条件，且叶片的属性参数和测试设备无法改变，因此， 仿真主要分析叶片和动滑轮之间的初始相对位置 x20 和 y20对加载系统振动特性的影响。

2． 3 仿真结果分析

以及改进措施 根据 Simulink 和 Adams 的仿真结果可知，在不考 虑动滑轮和加载缆索构成的弹簧系统的情况下，叶片 在加载力的作用下，其振幅能够很快达到稳态值，叶片 在挥舞和摆振方向上基本不会受到弹簧系统带来的载 荷干扰。在考虑动滑轮和加载缆索构成的弹簧系统的 情况下，叶片和动滑轮的振动特性与两者之间的相对 位置有关，即与加载缆索的姿态有关，挥舞方向的相对 位置越大，叶片和动滑轮受到的振荡干扰也越明显，对 叶片受到的载荷曲线的精度产生了较大的影响。

3 试验验证 

为了验证改进措施的效果，对某型 80 m 叶片进行 四点静力加载试验，如图 9 所 示，阶段载荷分别为 20% 、40% 、60% 、80% 、100% 。在静力测试之前，将加 载点 1 加载点 4 的动滑轮尽量拉至与叶片水平，其中 加载点 1 加载点 3 的加载缆索摆振相对位置 x20均为 4 m 左右，加载点 4 的加载缆索摆振相对 x20 为 3 m 左 右，且其挥舞相对位置 y20相较于其余三点略大。由于 叶片无法直接和加载缆索进行连接，则叶片和加载缆 索之间还须增加**度绑带作为过渡，动滑轮上安装 有拉力传感器以反馈叶片实际受到的载荷。

4 结束语 

针对动滑轮和加载缆索构成的弹簧系统对叶片测 试载荷产生振荡干扰的问题，建立了叶片夹具、动滑轮 和加载点的动力学模型，使用 Simulink 和 Adams 对该 动力学模型进行仿真，分析了叶片夹具和动滑轮之间 的连接段初始参数和叶片以及动滑轮振动特性的影响。仿真结果显示，减小叶片和动滑轮的挥舞相对位 置 y20，有利于减小叶片受到的载荷扰动，若叶片和动 滑轮的相对位置 y20已经达到最小值，可适当增大叶片 和动滑轮的摆振相对位置 x20，以进一步加速减小动滑 轮对叶片的扰动。***，对某型 80 m 叶片采取多点静 力加载试验，验证了改进相对位置参数有利于进一步 降低载荷曲线受到的振荡载荷，从而可提高测试精度。