DIC技术用于分析气动力载荷对叶片应变特性影响

　　背景：叶片作为风力发电机中重要组成部件，造价约占整个风力机的 1 /3.叶片在制造、运输、安装、维护等各环节都是非常困难的，并且叶片在使用寿命期内常会发生折断、脱落、疲劳损伤等事故，因此研究叶片的应变特性具有十分重要的意义。

　　利用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，基于数字散斑相关法(3D-DSCM)高精度、高灵敏度的全场非接触光学测量特点，采用高速相机拍摄散斑图像方式，对叶片在不同的气动力载荷、离心力载荷工况下进行风洞试验。

　　试验系统：① 控制部分，低速风洞-4组( 4，5，6，7 m /s) 不同来流风速，4组不同叶轮转速( 300，350，400，450 r/min) ，交叉组合得到 16种不同工况。

　　② 数字图像采集系统，主要由1对CCD相机(分辨率2048×1088 pixel，最大帧率340 fps)，利用CCD相机对不同工况下叶片进行图像采集并储存。

　　③ 数字图像分析处理系统，由新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统对采集到的散斑图像进行计算，得到在不同工况下叶片各测点相对于无载荷自由状态的离面位移时程曲线。

　　测试原理

　　工况设定可满足试验探究: 气动力载荷不变，离心力载荷规律递增时叶片应变特性; 离心力载荷不变，气动力载荷规律递增时叶片应变特性。

　　测点布置

　　既定相机采样帧率为 340 fps/s，各工况2 s 内采集680张叶片变形图像，通过 XTDIC 三维全场应变测量系统计算图像相关性，采用亚像素搜索方法，得到叶片各测点离面位移时程曲线。

　　测试试验原理图

　　试验结果及分析

　　应变计算

　　通过试验得到了叶片离面位移时程曲线，进一步计算得到叶片各测点应变

　　断面位移示意图

　　叶片结构应变

　　受气动力、离心力载荷以及结构特征因素影响，叶片在受载荷时会产生各处应变特性。结构应变可判定叶片应变集中位置，评估叶片结构设计合理性。以典型工况( 4 m /s，300 r/min) 来分析叶片结构切应变，如下图所示：

　　4m/s，300r/min工况下切应变时程曲线

　　非共振区气动力载荷不变

　　离心力载荷规律递增叶片切应变特性

　　来流风速保持4 m /s，随离心载荷规律递增( 300，350，400，450 r/min) 叶片切应变时程曲线，4个测点工程切应变都呈周期性抛物线变化，且曲线曲率接近一致，叶片在各工况下受脉动循环应变作用。

　　离心载荷递增工况叶片切应变时程曲线

　　非共振区离心力载荷不变

　　气动力载荷规律递增叶片切应变特性

　　离心载荷保持 300 r/min 不变，随气动载荷规律递增( 4，5，6，7 m /s) 的叶片切应变时程曲线：

　　气动载荷递增工况叶片切应变时程曲线

　　共振区离心力

　　气动力载荷对叶片应变的影响

　　从应变幅、循环特征、交变频率这三方面来看，叶片发生共振时其应变特性发生巨大的不利变化。

　　4 m/s，400 r/min 共振区切应变时程曲线

　　下图为共振区各测点最大切应变εmax随气动载荷变化情况。共振的振源效应对薄壁梁杆件的影响机制，共振会使薄壁梁杆件远离振源位置处切应变逐渐增大。

　　共振区测点最大切应变随气动载荷变化

　　试验结论

　　1) 试验利用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统测得叶片测点处离面位移，再根据薄壁梁杆件理论计算出叶片测点处切应变值，得出叶片应变集中区域。且在试验既定工况下，离心载荷、气动载荷增大均能使叶片应变增大，离心载荷是叶片应变增大的主要因素。

　　2) 试验从共振区叶片应变性质和共振对叶片应变影响机制两方面对共振区应变进行讨论，其结论为共振策动效应使叶片产生交变应变，其循环特征决定了共振产生的应变对叶片会产生较为严重的破坏;叶片交变频率由其固有频率决定，固有频率越高，单位时间内应变循环加载次数越多，叶片使用寿命越短; 另外共振策动力在叶根部位产生振源效应，能量由叶根处向叶尖传播，引起叶片沿弦展方向应变逐渐增大，对叶尖应变造成极大影响。

　　3) 采用XTDIC三维全场应变测量系统测量了旋转叶片的应变特性，该方法的高精度、高灵敏度和无接触特点，不仅保证了测量结果的准确性，而且针对共振这种特殊工况也能测得相应应变数据。因此试验方法不仅为测量不同工况下叶片应变提供了新的思路，还对测量风力机叶片类似共振的特殊工况有一定的参考意义。

　　案例摘自：【代元军，郭程，新疆农业大学机电工程学院，离心力和气动力载荷对风力机叶片应变特性的影响】