叶片疲劳寿命计算简介
汽轮机叶片疲劳设计
汽轮机叶片疲劳设计汽轮机叶片疲劳设计是汽轮机设计中的重要环节之一。
它是指在汽轮机运行过程中叶片受到复杂的载荷作用，经过数千小时的运作后，叶片内部可能出现裂纹或损伤，影响汽轮机的正常工作。
因此，在汽轮机设计阶段，一定要考虑如何设计出能够耐久使用的叶片，从而实现汽轮机的稳定运行。
汽轮机叶片疲劳设计包括以下几个步骤：第一步：确定载荷条件。
汽轮机在工作过程中，受到多种载荷状况，包括温度变化、旋转惯量和离心力等。
设计人员需要对这些载荷进行评估和计算，以便确定最终的载荷条件。
第二步：制定叶片几何形状。
在确定好载荷条件后，设计人员需要制定叶片的几何形状。
叶片的几何形状关系到它的强度和疲劳寿命，因此设计人员需要运用计算机辅助设计软件，对叶片的几何形状进行优化设计，以提高叶片的强度。
第三步：确定材料和工艺。
叶片的材料和工艺对叶片的强度和寿命有直接影响。
在设计叶片的材料和工艺方案时，设计人员需要考虑以下几点：材料的强度、硬度、塑性、韧性、耐腐蚀性和组织等；工艺的复杂程度、成本、可行性和可靠性等。
第四步：进行疲劳测试。
设计初步完成后，设计人员需要对叶片进行疲劳性能测试，以验证设计的正确性和优化性。
在测试中，需要模拟实际工作条件下载荷的变化和循环次数的影响，对叶片进行疲劳寿命测试，并确定其安全使用寿命。
第五步：完善设计。
根据疲劳测试的结果，设计人员需要对设计进行调整和完善，使叶片的设计更合理、更优化。
在这个过程中，还需要运用最新的材料、工艺和技术，不断优化叶片的设计方案。
综上所述，汽轮机叶片疲劳设计是一个复杂的工程，需要设计人员对叶片的载荷条件、几何形状、材料工艺等方面进行充分的研究和分析。
只有通过严格的设计和测试，在保证叶片安全的前提下，才能使汽轮机在长期的运行过程中保持良好的工作状态。
风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析
１２０工程力学（ａ）挥舞力矩（ｂ）摆振力矩（ｃ）扭转力矩图１１２ｍ／ｓ风速下叶片根端气动力矩Ｆｉｇ．１Ｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｍｏｍｅｎｔｓａｔｔｈｅｂｌａｄｅｒｏｏｔｉｎ１２ｒｒｄｓｗｉｎｄｓｐｅｅｄ表１各风速下叶根的气动力矩Ｔａｂｌｅ１Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｒｏｏｔｉｎｖａｒｉｏｕｓｗｉｎｄｓｐｅｅｄ风速ｍ／ｓ５７９ｌｌ１３１５１７１９２１２３２５挥舞力矩均值一３６１．０—６８７．０．１１３０．一１４２０．一１０９０．一８３９．０．６８０．一５６１．０．４６７．一３８８．０—３２２．ｋＮ．ｍ幅值７２．２１３７．４２２６．０２８４．０２１８．０１６７．８１３６．０１１２．２９３．４７７．６６４．４摆振力矩均值３８．５７８．６１３０．０２２３．０２５５．０２５４．０２５３．０２５１．０２５０．０２４９．０２４７．ＯｋＮ．ｍ幅值９．６２５１９．６５３２．５５５．７５６３．７５６３．５６３．２５６２．７５６２．５６２．２５６１．７５扭转力矩均值一０．１７３—０．２０３—０．３２７Ｏ．６２ｌ一０．０９２—０．４９．０．５８９．０．６１１－０．５９５．０．５５６—０．４９７ｋＮ．ｍ幅值Ｏ．００７０．００８０．０１３０．０２５Ｏ．００４０．０２００．０２４０．０２４Ｏ．０２４０．０２２０．０２０２．２风速分布在考察叶片疲劳损伤累积时，需要计算各种风速下气动载荷及其工作循环数。
采用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布函数来描述风速分布情况。
其风速概率密度函数和累积分布函数分别为ｆ（ｖ）２的Ｋ－１ｅｘｐ［＿（∞㈣Ｆ（Ｖ）＝１一ｅｘｐ［一（亡）“］把整个工作风速分成若干段，则某～风速段的全年累计小时数为１１，．＋４Ｉ＝８７６０Ｆ（ｖ）Ｉ‘（７）ＩＶｉ一口４为风速区段宽度。
表４中列出了根据广东省南澳风电场风速分布函数求得的风速全年分布小时数，其中，尺度参数ｃ＝９．２ｍ／ｓ，形状参数Ｋ＝２．０。
疲劳寿命计算公式实例
疲劳寿命计算公式实例疲劳寿命是指材料或结构在受到交变载荷作用下能够承受的循环次数。
在工程实践中，准确计算疲劳寿命对于设计和评估材料或结构的可靠性至关重要。
计算疲劳寿命的方法有很多种，其中一种常用的方法是通过疲劳寿命计算公式来进行估算。
这个公式是根据疲劳试验数据的统计分析得出的，可以用来预测不同载荷下材料或结构的疲劳寿命。
一个常用的疲劳寿命计算公式是史密斯公式，也称为SN曲线方法。
该方法基于疲劳试验数据，建立了应力幅与寿命的关系，通过应力幅来估算材料或结构的疲劳寿命。
史密斯公式的一般形式是N = C*(Δσ)^m，其中N表示寿命，C和m是材料的常数，Δσ表示应力幅。
这个公式可以用来计算不同应力幅下的疲劳寿命。
为了更好地理解史密斯公式的应用，我们来看一个实例。
假设我们有一根钢梁，在某个应力水平下受到循环载荷作用。
我们想要计算钢梁的疲劳寿命。
我们需要获取钢梁的疲劳试验数据，包括不同应力幅下的寿命。
然后，我们可以利用这些数据来拟合出史密斯公式中的常数C和m。
一般来说，可以通过最小二乘法来进行拟合。
完成拟合后，我们就可以利用史密斯公式来计算不同应力幅下钢梁的疲劳寿命了。
假设在某个应力幅下，Δσ为100MPa，我们可以代入公式计算出对应的寿命N。
需要注意的是，史密斯公式是一种经验公式，其适用范围有限。
在实际应用中，我们还需要考虑其他因素，如材料的裂纹敏感性、环境条件等。
疲劳寿命的计算还可以使用其他方法，如线性累积损伤法、极限状态法等。
这些方法在不同情况下有不同的适用性，需要根据具体情况选择合适的方法。
总结起来，疲劳寿命的计算是工程实践中一个重要的问题。
通过疲劳寿命计算公式，我们可以预测材料或结构在不同应力幅下的疲劳寿命。
然而，需要注意的是，公式的适用性有限，实际应用时需要综合考虑其他因素。
在进行疲劳寿命计算时，我们还可以借鉴其他方法，以提高计算的准确性和可靠性。
航空发动机叶片蠕变疲劳寿命
航空发动机叶片蠕变疲劳寿命航空发动机是现代航空技术的核心组成部分，其叶片的安全和可靠性对飞行安全至关重要。
然而，航空发动机叶片在长时间高温、高压和高转速的工作环境下，经受着巨大的热负荷和机械应力，容易发生蠕变疲劳现象。
蠕变疲劳是指材料在高温下受力时，通过原子扩散和位错运动引起的变形和破裂。
叶片材料在长时间高温下，由于受力和温度的共同作用，会发生晶粒的生长和材料的变形，导致叶片的性能下降和寿命缩短。
为了延长航空发动机叶片的蠕变疲劳寿命，研究人员采取了一系列措施。
首先，通过优化叶片的设计和材料选择，提高叶片的耐高温性能和抗蠕变能力。
其次，改进叶片的制造工艺，提高叶片的表面质量和内部结构的稳定性，减少蠕变疲劳的发生。
此外，加强叶片的监测和维护，定期检查叶片的状况，及时发现和修复叶片中的缺陷和损伤，提高叶片的使用寿命。
航空发动机叶片蠕变疲劳寿命的提高不仅依赖于材料和加工工艺的改进，还需要航空公司和维修人员的共同努力。
航空公司应制定合理的维修计划，定期对叶片进行检查和维护，确保叶片的安全和可靠性。
维修人员需要接受专业培训，掌握叶片的维修技术和操作方法，提高叶片的维修质量和效率。
在航空发动机叶片蠕变疲劳寿命的研究中，我们不能忽视人的角色。
航空发动机叶片的设计、制造、使用和维修都离不开人的智慧和努力。
只有通过不断的研究和创新，加强人与技术的结合，才能更好地延长航空发动机叶片的蠕变疲劳寿命，提高飞行安全和可靠性。
航空发动机叶片蠕变疲劳寿命是一个复杂而关键的问题。
通过优化设计、改进材料和加工工艺，加强监测和维护，以及提高人的专业技术水平，我们可以延长叶片的使用寿命，保障飞行安全。
航空发动机叶片蠕变疲劳寿命的研究不仅是科学技术的挑战，更是保障人类航空事业的责任和使命。
只有不断努力，才能使航空发动机叶片在高温、高压和高转速的工作环境下，展现出更加出色的性能和可靠性。
机械设计中的疲劳寿命估算
机械设计中的疲劳寿命估算疲劳寿命估算是机械设计中一个重要的任务，它能够帮助工程师评估机械零件在长期使用过程中可能发生的疲劳破坏。
合理的疲劳寿命估算可以减少机械故障的发生，提高机械设备的可靠性和安全性。
本文将从疲劳寿命的定义、影响因素以及估算方法三个方面进行探讨。
一、疲劳寿命的定义疲劳寿命是指机械零件在循环加载下能够承受的次数，即在特定的载荷条件下，零件发生疲劳破坏前所经历的循环次数。
一般来说，疲劳寿命的表达方式为Nf，单位可以是次数、小时或循环。
二、影响疲劳寿命的因素1.应力水平：应力是导致疲劳破坏的主要原因之一，较高的应力水平会导致疲劳寿命的显著缩短。
2.材料性能：材料的强度、韧性等性能对疲劳寿命有着重要影响。
一般来说，强度较高、韧性较好的材料疲劳寿命相对较长。
3.工作环境：工作环境的恶劣程度、温度、湿度等因素也会对零件的疲劳寿命产生影响。
在腐蚀性环境中工作的零件疲劳寿命通常更短。
4.载荷类型：对于不同类型的载荷，疲劳寿命也会有所不同。
多变载荷和单纯应力载荷下的疲劳寿命表现不同。
5.几何形状：零件的形状、尺寸以及表面质量等也会对疲劳寿命造成一定影响。
三、疲劳寿命估算方法1.基于SN曲线的估算方法：SN曲线是疲劳寿命估算方法中最为常用的一种方法。
它通过试验得到零件在不同循环次数下的应力水平，进而建立起应力水平与疲劳寿命之间的关系曲线。
根据实际工况下的应力水平，可以通过插值或外推的方法预估零件在特定条件下的疲劳寿命。
2.统计学方法：统计学方法是一种基于概率统计理论的疲劳寿命估算方法，它考虑到了不确定性因素对疲劳寿命的影响。
通过统计样本数据，建立概率密度函数或累积分布函数，从而得到零件在一定概率范围内的疲劳寿命。
3.有限元方法：有限元方法是一种基于数值模拟的疲劳寿命估算方法。
它通过建立零件的有限元模型，并考虑材料本构关系和载荷工况，利用有限元软件对零件的应力分布进行分析，从而计算出疲劳寿命。
总结：疲劳寿命估算是机械设计中不可忽视的一环，它可以帮助工程师评估零件的使用寿命和可靠性。
风电叶片疲劳试验
风电叶片疲劳试验
风电叶片是风力发电机的核心部件，其承受着巨大的力和压力，经常面临着疲劳破坏的风险。
为了确保风电叶片的安全运行，必须对其进行疲劳试验。
风电叶片疲劳试验是通过模拟实际使用条件，在实验室内对叶片进行长期疲劳试验，以评估其寿命和耐久性能。
通常的疲劳试验包括静态弯曲试验和动态扭转试验，同时也要考虑叶片的振动特性、温度等环境因素，以尽可能真实地模拟实际工作环境。
疲劳试验的目的是确定风电叶片的疲劳特性，包括疲劳寿命、疲劳极限、疲劳损伤等，从而为风力发电机的可靠性和安全性评估提供依据。
疲劳试验结果对于设计、制造、运维和监测等方面都具有重要的指导意义。
随着风力发电技术的进步和发展，风电叶片的疲劳试验也在不断完善和提高。
未来，随着技术的进一步提升，疲劳试验将成为确保风电叶片安全可靠性的重要手段之一。
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航空器发动机涡轮叶片疲劳寿命预测
航空器发动机涡轮叶片疲劳寿命预测航空器发动机是一种重要的交通工具，其发动机的安全性和可靠性对于人类的生命财产安全至关重要。
然而，航空器发动机中的涡轮叶片作为一个重要的零部件，因为其负责转换火箭燃料的动能为机械能，承受着巨大的力和热负荷，因此很容易发生裂纹、脱落等现象。
因此，航空器发动机涡轮叶片的疲劳寿命预测是航空发动机领域中的重要课题。
本文将从涡轮叶片材料的特性和制造工艺、涡轮叶片的疲劳本质、现有的涡轮叶片疲劳寿命预测方法以及未来的发展方向来探讨航空发动机涡轮叶片疲劳寿命预测的相关问题。
一、涡轮叶片材料特性和制造工艺涡轮叶片材料一般采用高温合金，其主要特点是高温强度和抗氧化性高。
而随着桥梁、建筑、汽车和电子技术等领域的发展，高温合金的价格不断上涨，这也给发动机制造企业带来了很大的压力。
因此，研究如何减少涡轮叶片的材料成本和制造成本，提高其性能和寿命已经成为航空发动机领域中的一项重要研究课题。
涡轮叶片的制造工艺也起着十分重要的作用。
现代涡轮叶片大多采用CNC数控加工技术制造，而高性能涡轮叶片还需要采用激光焊接、电子束焊接、真空烧结等特殊工艺。
这些工艺中需要精确地控制加热温度和加热时间，以避免涡轮叶片的变形或者烧蚀等质量问题。
因此，涡轮叶片材料和制造工艺的研究对于提高涡轮叶片的基本性能和降低制造成本具有重要意义。
二、涡轮叶片的疲劳本质涡轮叶片的疲劳本质是涡轮叶片寿命研究的关键。
涡轮叶片长时间的使用和循环荷载会使其发生一系列应力历史的变化。
这些应力历史的变化造成了一系列微小的裂纹，当裂纹扩展到一定大小时，就会导致涡轮叶片的脱落，从而给飞机和机组人员带来极大的危险。
涡轮叶片的寿命与循环荷载、荷载频率、荷载幅值、温度等多个因素相关。
一旦涡轮叶片发生疲劳裂纹，其寿命便会急剧降低。
因此，寻找一种可靠的涡轮叶片疲劳寿命预测方法对于航空发动机领域至关重要。
三、现有的涡轮叶片疲劳寿命预测方法现有的涡轮叶片疲劳寿命预测方法大都是基于试验数据的，例如采用疲劳试验等方法获取涡轮叶片的应力-寿命曲线，然后利用这些曲线对未来涡轮叶片的使用寿命进行预测。
大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究共3篇
大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究共3篇大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究1大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究燃气轮机是一种高效可靠的动力装置，适用于许多领域，包括空客工业、能源生产和石油勘探。
在燃气轮机中，涡轮叶片是最容易受到疲劳影响的部件之一。
因此，对于大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命进行研究至关重要。
疲劳是材料或构件在循环应力下的疲劳破坏。
涡轮叶片通常受到很高的应力和温度，这可能导致疲劳开裂。
疲劳破坏是一种微弱的、渐进的过程，可能导致不可逆的结构损坏。
因此，预测涡轮叶片的疲劳寿命至关重要。
大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命研究通常需要借助模拟和实验。
模拟通常包括数值模拟和仿真，在模拟中，考虑到各种应力载荷、材料疲劳特性和涡轮叶片的结构特征，从而预测疲劳寿命。
实验通常包括试验评估和疲劳试验，在试验评估中，对材料能力、疲劳极限等进行测试，而在疲劳试验中，对涡轮叶片的疲劳性能进行验证。
大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命研究不仅仅是保证设备寿命的关键因素。
它也可以为设备改进、材料选择、质量控制和维护计划提供关键信息。
在开展涡轮叶片疲劳寿命研究时，需要对涡轮叶片重要的几何参数、材料性能、应力载荷等进行全面的评估。
面对日益严峻的市场竞争，燃气轮机开发商和制造商都致力于开发出更安全、可靠、可持续的设计。
疲劳寿命是大型燃气轮机设计的关键考虑因素之一。
因此，需要进行充分和全面的大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究，以确保装置的长期使用、生产效率和安全性综上所述，研究大型燃气轮机涡轮叶片的疲劳寿命至关重要。
通过模拟和实验，可以预测和验证涡轮叶片的疲劳性能，为设备改进、材料选择、质量控制和维护计划提供重要信息。
在当前的市场竞争中，保证装置的长期使用、生产效率和安全性是燃气轮机制造商的首要任务之一。
因此，需要不断深入和完善大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命的研究大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究2随着现代工业的不断发展，大型燃气轮机在国家经济建设中占据着重要地位。
压气机转子叶片高循环疲劳概率寿命研究
压气机转子叶片高循环疲劳概率寿命研究压气机转子叶片是压气机的核心部件之一，其工作环境复杂，受到高温、高压和高速等多种因素的影响，容易发生疲劳破坏。
因此，研究压气机转子叶片的高循环疲劳概率寿命具有重要意义。
高循环疲劳是指在较短时间内受到多次循环载荷作用下的破坏现象。
由于压气机转子叶片工作时受到很高的旋转速度和气流压力，其受力情况相当复杂。
在高速旋转的过程中，叶片会不断受到气流的冲击和拉力的作用，这会导致叶片表面出现应力集中现象，从而引发疲劳破坏。
因此，研究其高循环疲劳概率寿命，有助于提高叶片的可靠性和使用寿命。
研究高循环疲劳概率寿命需要进行一系列试验和分析。
首先，需要对压气机转子叶片进行材料力学性能的测试，包括材料的强度、韧性和断裂韧性等指标。
通过这些测试，可以了解叶片所使用材料的特性，并为后续的疲劳试验提供基础数据。
需要进行高循环疲劳试验，以模拟叶片在实际工作条件下的受力情况。
试验时，可以采用恒载荷或变幅载荷的方式对叶片进行加载，记录加载过程中的应力和应变等数据。
通过试验结果的分析，可以确定叶片的疲劳性能和疲劳寿命。
在进行试验时，需要考虑到叶片的工作环境因素，如温度、压力和湿度等。
这些因素对叶片的疲劳性能有重要影响，因此在试验中需要进行相应的控制和调节。
除了试验方法，还可以利用数值模拟的方法来研究压气机转子叶片的高循环疲劳概率寿命。
数值模拟可以对叶片在不同工况下的受力情况进行预测和分析，为优化设计提供参考。
通过建立叶片的有限元模型，可以计算出叶片的应力分布和变形情况，并进一步预测叶片的疲劳寿命。
除了试验和数值模拟，还可以进行疲劳损伤评估和可靠性分析。
疲劳损伤评估可以通过对试验数据的统计和分析，确定叶片的疲劳寿命分布和可靠性指标。
可靠性分析可以通过建立叶片的可靠性模型，综合考虑材料的不确定性和叶片的使用条件，评估叶片在给定寿命下的可靠性水平。
研究压气机转子叶片的高循环疲劳概率寿命是提高叶片可靠性和使用寿命的重要途径。
低风速环境下风力发电叶片的疲劳寿命评估与预测
低风速环境下风力发电叶片的疲劳寿命评估与预测随着清洁能源需求的不断增加，风力发电逐渐成为主要的可再生能源之一。
在风力发电系统中，叶片是最关键的组成部分之一，其质量和性能直接影响着整个系统的运行效率和可靠性。
然而，低风速环境下风力发电叶片的疲劳寿命评估与预测成为一个重要的挑战。
低风速环境下，风力发电叶片的运行状态与常规高风速环境下存在明显的差异。
在低风速条件下，风力发电机组需要经过更长时间才能达到额定功率输出，这意味着叶片会长时间处于部分负载或低负载运行状态。
这种运行状态对叶片材料的疲劳寿命造成了更大的影响。
叶片的疲劳寿命评估与预测是通过定量分析叶片在长期低负荷工作条件下的疲劳损伤程度，从而确定其可靠性和使用寿命。
评估和预测叶片疲劳寿命的主要方法包括有限元分析、试验研究和统计分析。
有限元分析是常用的方法之一，通过建立叶片的数值模型，模拟不同工况下的应力和应变分布，进而预测叶片的疲劳寿命。
该方法能够较为精细地描述叶片的力学特性，对于叶片结构的优化设计提供了有力的支持。
然而，有限元分析需要大量的计算资源和专业知识，对于叶片结构的复杂性和非线性特性的处理也存在一定的挑战。
试验研究是评估叶片疲劳寿命的重要手段之一。
通过搭建试验台架和风洞实验，可以模拟低风速环境下叶片的工作状态，测量和记录叶片的应力和位移变化。
根据实验数据，结合材料疲劳性能指标，可以定量评估叶片在低风速工况下的疲劳寿命。
试验研究不仅可以验证有限元分析结果的准确性，还可以获取更直接、真实的疲劳性能数据。
然而，试验研究需要大量时间和成本，并且可能受到实验条件的限制，无法覆盖所有低风速工况下的情况。
统计分析是预测叶片疲劳寿命的常用方法之一。
通过分析大量风力发电机组的运行数据，建立叶片的剩余寿命模型，预测叶片在低风速环境下的疲劳寿命。
统计方法可以考虑诸多因素，如叶片材料、结构设计、风速变化等，全面评估叶片的寿命状态。
然而，统计分析方法的准确性受到数据质量和样本数量的限制，并且需要不断修正和验证模型以提高预测准确度。
疲劳寿命名词解释
疲劳寿命名词解释
疲劳寿命是一种材料强度和可靠性的重要指标，它描述了一个材料在反复载荷下所能承受的循环次数。
它通常用来描述金属材料的性能，如钢铁、铝合金等，也被应用于其他材料如陶瓷和聚合物。
疲劳寿命的测定方法是通过实验测试，将材料反复加载，记录下每次加载的应力值，直到疲劳破坏发生。
这些数据可用于绘制材料的应力-循环次数曲线，从而确定材料的疲劳寿命。
疲劳寿命的重要性在于，许多零部件和机械设备都处于反复载荷的环境中，如汽车和飞机的发动机零件、桥梁结构、风力涡轮机叶片等。
如果这些零部件的疲劳寿命不能得到保证，就有可能会引起严重的事故和损失。
因此，疲劳寿命的研究和评估对于材料科学和工程学来说是至关重要的。
科学家和工程师需要了解材料疲劳寿命的特性，以便设计和制造更可靠和安全的产品。
风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析
第21卷第6期 工 程 力 学 V ol.21 No.6 2004年 12 月ENGINEERING MECHANICSDec. 2004———————————————收稿日期：2003-02-28；修改日期2003-04-15基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)专项经费；国家自然科学基金(50076023)；汕头大学博士后基金(140-934008)作者简介：*李德源(1965)，男，重庆市人，副教授，博士，汕头大学能源所博士后研究人员，从事风力机气动及结构设计研究工作； (E-mail: dyli@)叶枝全(1938)，男，广东省普宁人，教授，享受政府津贴专家，中国空气动力学会理事，中国太阳能学会风能专业委员会委员，从事风力机气动及结构设计研究工作；陈 严(1964)，男，湖南新化人，副教授，博士，中国空气动力学会风能空气动力学专业委员会委员，从事风力机气动及结构设计工作；包能胜(1972)，男，江西赣州人，讲师，硕士，从事风力机气动及结构设计研究工作文章编号：1000-4750(2004)06-0118-06风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析*李德源，叶枝全，陈 严，包能胜(汕头大学能源所，汕头 515063)摘 要：研究了大型风力机玻璃钢叶片载荷谱和疲劳寿命的工程估算方法。
运用片条理论分析了影响风力机叶片疲劳寿命的气动载荷分布；应用多体动力学方法，分析了旋转叶片动力刚化效应产生的原因及其对叶片振动模态的影响；根据模态叠加法，计算了叶片在气动力、重力和旋转惯性力等确定性载荷作用下的动应力响应；探讨了玻璃钢叶片的疲劳性能、破坏准则及疲劳寿命估计方法；提出了一种基于Palmgren Miner 线性累积损伤法则的玻璃钢叶片安全寿命估计方法。
通过所设计的1.5MW 变速变桨距风力机叶片疲劳寿命估计的算例表明，该方法是可靠和实用的。
关键词：风能利用；风力机；玻璃钢叶片；疲劳寿命；动力刚化 中图分类号：TK83 文献标识码：ALOAD SPECTRUM AND FATIGUE LIFE ANALYSIS OF THE BLADE OFHORIZONTAL AXIS WIND TURBINE*LI De-yuan , YE Zhi-quan , CHEN Yan , BAO Neng-sheng(Institute of Energy and Environment Science, Shantou University, Shantou 515063, China)Abstract: This paper presents the load spectrum and an engineering estimating method of the fatigue life of GRP blade of large-scale wind turbine. The distribution of aerodynamic loads which affect the fatigue life of the blade are analyzed using strip theory. The stiffening effects of the rotating blade are discussed, using the multi-body dynamics method. The influence of the dynamic stiffening effect on the blade vibration mode is then analyzed. The dynamic stress response caused by the deterministic dynamic loads such as aerodynamic load, gravitational load and rotating centrifugal load, etc., is calculated using finite element mode superposition method. The fatigue damage performance, fatigue damage rule and fatigue life estimate method of GRP blade are discussed. Based on the Palmgren Miner linear fatigue damage accumulation rule, a safety life estimate method is developed. The fatigue life estimate of the 1.5MW variable speed pitch regulated wind turbine blade shows that the GRP blade fatigue life estimate method is reliable and feasible.Key words: wind energy utility; wind turbine; GRP blade; fatigue life; dynamic stiffening风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析 1191 引言玻璃钢叶片的结构、强度和稳定性对风力机组的可靠性起着重要的作用。
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叶片疲劳寿命计算方法
• 名义应立法
载荷谱 材料的S-N 曲线
确定叶片危 险部位
危险部位的 名义应力谱
叶片疲劳寿 命
叶片动应力 响应分析
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疲劳损伤积 累理论
叶片疲劳寿命计算方法
• 局部应力应变法
载荷谱
循环σ-ε曲 线
材料的ε-N 曲线
疲劳损伤积 累理论
叶片结构应 力分析
危险部位的 名义应力谱
危险部位的 局部应力应 变谱
叶片疲劳寿命分析简介
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叶片疲劳断裂原因及疲劳分类 叶片疲劳寿命计算方法
局部应力应变法
工作进展
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叶片疲劳断裂原因及疲劳分类
• 叶片是叶轮机械最重要的关键零件之一，但在叶 轮机械结构故障中，叶片方面的故障却占相当高 的比例。 • 分析叶片故障产生的原因，由于叶片振动导致的 叶片高周疲劳断裂问题尤为普遍，约占总事故的 25%。
疲劳损伤积 累理论
叶片结构应 力分析
危险部位的 名义应力谱
危险部位的 局部应力应 变谱
积累损伤
叶片几何尺 寸
叶片危险部位的 应力应变历程
叶片疲劳寿 命
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局部应力应变法 • 叶片危险部位的应力应变历程：
叶片结构应 力分析
采用有限元软件进行三维稳态应力分析 工程计算方法或三维流场获得气流激振力 采用有限元软件进行三维非稳态应力分析 或进行流固耦合分析 (1)试验方法；(2)弹塑性有限元法； (3)近似计算方法，Neuber法
• 低周疲劳：在循环应力水平较高时，塑性应变 起主导作用，疲劳寿命较低。
载荷：机组启动——运行——停机循环。 叶片承受的离心力载荷和离心应力随转速的平方变化， 这种载荷在一次启停中循环一次，幅值变化较大。
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叶片疲劳寿命计算方法
• 疲劳寿命计算方法主要包括：
名义应立法 局部应力应变法 应力场强法
气流激振力
危险部位的 名义应力谱 危险部位的 局部应力应 变谱
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局部应力应变法 • 材料疲劳性能：
循环σ-ε曲 线
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局部应力应变法 • 材料疲劳性能：
材料的ε-N 曲线
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工作进展
FEA和CFD
载荷谱
雨流法
循环σ-ε曲 线
材料的ε-N 曲线 疲劳损伤积 累理论
叶片结构应 力分析
危险部位的 名义应力谱
危险部位的 局部应力应 变谱
积累损伤
叶片几何尺 寸
Neuber法
叶片疲劳寿 命
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工作进展
• Neuber法验证
中心孔板(《结构疲劳寿命分析》,P129-136)
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工作进展
载荷谱
循环σ-ε曲线
16
工作进展
局部应力应变计算结果
加载 次数 1 2 3 4 局部应力 /MPa(书) 263.46 -61.74 402.30 56.64 局部应力 局部应变 局部应变 /MPa(报告) /%(书) /%(报告) 263.76 -62.39 402.10 56.10 0.3600 -0.0851 0.5428 0.0706 0.3603 -0.0852 0.5433 0.0706
5
6 7 8
513.44
-295.85 559.03 -461.32
512.98
-297.10 562.98 -பைடு நூலகம்61.89
1.0405
-0.0525 1.8099 -0.2531
1.0423
-0.0518 1.8125 -0.2537
17
3
叶片疲劳断裂原因及疲劳分类
• 叶片的疲劳断裂通常是由于承受动态载荷所引起 的，即使在动应力远远小于材料的静强度极限的 情况下，仍然可能造成疲劳损坏。
4
叶片疲劳断裂原因及疲劳分类
• 高周疲劳：在循环应力水平较低时，弹性应变 起主导作用，疲劳寿命较长。
载荷：运行时气流对叶片的激振力，如静叶尾迹、叶 轮偏心、抽排汽结构等。 机组平稳运行时，这种高周疲劳载荷水平和高周应力 是基本不变的。
积累损伤
叶片几何尺 寸
叶片疲劳寿 命
8
叶片疲劳寿命计算方法
• 应力场强法
循环σ-ε曲 线 材料的S-N 曲线 疲劳损伤积 累理论
结构有限元 分析
计算裂纹叶 片应力场强 度时间历程
积累损伤
载荷谱
叶片疲劳寿 命
9
局部应力应变法
• 三大内容：
载荷谱
材料疲劳性 能
循环σ-ε曲 线
材料的ε-N 曲线
疲劳损伤积 累理论