背景：葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)中重要組成部件，造價(jià)約占整個(gè)風(fēng)力機(jī)的 1 /3．葉片在制造、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)等各環(huán)節(jié)都是非常困難的，并且葉片在使用壽命期內(nèi)常會(huì)發(fā)生折斷、脫落、疲勞損傷等事故，因此研究葉片的應(yīng)變特性具有十分重要的意義。

利用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，基于數(shù)字散斑相關(guān)法（3D－DSCM）高精度、高靈敏度的全場(chǎng)非接觸光學(xué)測(cè)量特點(diǎn)，采用高速相機(jī)拍攝散斑圖像方式，對(duì)葉片在不同的氣動(dòng)力載荷、離心力載荷工況下進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。

試驗(yàn)系統(tǒng)：① 控制部分，低速風(fēng)洞-4組( 4，5，6，7 m /s) 不同來(lái)流風(fēng)速，4組不同葉輪轉(zhuǎn)速( 300，350，400，450 r/min) ，交叉組合得到 16種不同工況。

② 數(shù)字圖像采集系統(tǒng)，主要由1對(duì)CCD相機(jī)（分辨率2048×1088 pixel，最大幀率340 fps），利用CCD相機(jī)對(duì)不同工況下葉片進(jìn)行圖像采集并儲(chǔ)存。

③ 數(shù)字圖像分析處理系統(tǒng)，由新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)采集到的散斑圖像進(jìn)行計(jì)算，得到在不同工況下葉片各測(cè)點(diǎn)相對(duì)于無(wú)載荷自由狀態(tài)的離面位移時(shí)程曲線。

測(cè)試原理

工況設(shè)定可滿足試驗(yàn)探究: 氣動(dòng)力載荷不變，離心力載荷規(guī)律遞增時(shí)葉片應(yīng)變特性; 離心力載荷不變，氣動(dòng)力載荷規(guī)律遞增時(shí)葉片應(yīng)變特性。

DIC測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

既定相機(jī)采樣幀率為 340 fps/s，各工況2 s 內(nèi)采集680張葉片變形圖像，通過 XTDIC 三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算圖像相關(guān)性，采用亞像素搜索方法，得到葉片各測(cè)點(diǎn)離面位移時(shí)程曲線。

DIC測(cè)試試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)結(jié)果及分析

應(yīng)變計(jì)算

通過試驗(yàn)得到了葉片離面位移時(shí)程曲線，進(jìn)一步計(jì)算得到葉片各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變

斷面位移示意圖

葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)變

受氣動(dòng)力、離心力載荷以及結(jié)構(gòu)特征因素影響，葉片在受載荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生各處應(yīng)變特性。結(jié)構(gòu)應(yīng)變可判定葉片應(yīng)變集中位置，評(píng)估葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。以典型工況( 4 m /s，300 r/min) 來(lái)分析葉片結(jié)構(gòu)切應(yīng)變，如下圖所示：

4m/s，300r/min工況下切應(yīng)變時(shí)程曲線

非共振區(qū)氣動(dòng)力載荷不變

離心力載荷規(guī)律遞增葉片切應(yīng)變特性

來(lái)流風(fēng)速保持4 m /s，隨離心載荷規(guī)律遞增( 300，350，400，450 r/min) 葉片切應(yīng)變時(shí)程曲線，4個(gè)測(cè)點(diǎn)工程切應(yīng)變都呈周期性拋物線變化，且曲線曲率接近一致，葉片在各工況下受脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)變作用。

離心載荷遞增工況葉片切應(yīng)變時(shí)程曲線

非共振區(qū)離心力載荷不變

氣動(dòng)力載荷規(guī)律遞增葉片切應(yīng)變特性

離心載荷保持 300 r/min 不變，隨氣動(dòng)載荷規(guī)律遞增( 4，5，6，7 m /s) 的葉片切應(yīng)變時(shí)程曲線：

氣動(dòng)載荷遞增工況葉片切應(yīng)變時(shí)程曲線

共振區(qū)離心力

氣動(dòng)力載荷對(duì)葉片應(yīng)變的影響

從應(yīng)變幅、循環(huán)特征、交變頻率這三方面來(lái)看，葉片發(fā)生共振時(shí)其應(yīng)變特性發(fā)生巨大的不利變化。

4 m/s，400 r/min 共振區(qū)切應(yīng)變時(shí)程曲線

下圖為共振區(qū)各測(cè)點(diǎn)最大切應(yīng)變?chǔ)舖ax隨氣動(dòng)載荷變化情況。共振的振源效應(yīng)對(duì)薄壁梁桿件的影響機(jī)制，共振會(huì)使薄壁梁桿件遠(yuǎn)離振源位置處切應(yīng)變逐漸增大。

共振區(qū)測(cè)點(diǎn)最大切應(yīng)變隨氣動(dòng)載荷變化

試驗(yàn)結(jié)論

1) 試驗(yàn)利用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得葉片測(cè)點(diǎn)處離面位移，再根據(jù)薄壁梁桿件理論計(jì)算出葉片測(cè)點(diǎn)處切應(yīng)變值，得出葉片應(yīng)變集中區(qū)域。且在試驗(yàn)既定工況下，離心載荷、氣動(dòng)載荷增大均能使葉片應(yīng)變?cè)龃螅x心載荷是葉片應(yīng)變?cè)龃蟮闹饕蛩亍?/p>

2) 試驗(yàn)從共振區(qū)葉片應(yīng)變性質(zhì)和共振對(duì)葉片應(yīng)變影響機(jī)制兩方面對(duì)共振區(qū)應(yīng)變進(jìn)行討論，其結(jié)論為共振策動(dòng)效應(yīng)使葉片產(chǎn)生交變應(yīng)變，其循環(huán)特征決定了共振產(chǎn)生的應(yīng)變對(duì)葉片會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破壞；葉片交變頻率由其固有頻率決定，固有頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)變循環(huán)加載次數(shù)越多，葉片使用壽命越短; 另外共振策動(dòng)力在葉根部位產(chǎn)生振源效應(yīng)，能量由葉根處向葉尖傳播，引起葉片沿弦展方向應(yīng)變逐漸增大，對(duì)葉尖應(yīng)變?cè)斐蓸O大影響。

3) 采用XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了旋轉(zhuǎn)葉片的應(yīng)變特性，該方法的高精度、高靈敏度和無(wú)接觸特點(diǎn)，不僅保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且針對(duì)共振這種特殊工況也能測(cè)得相應(yīng)應(yīng)變數(shù)據(jù)。因此試驗(yàn)方法不僅為測(cè)量不同工況下葉片應(yīng)變提供了新的思路，還對(duì)測(cè)量風(fēng)力機(jī)葉片類似共振的特殊工況有一定的參考意義。

案例摘自：【代元軍，郭程，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，離心力和氣動(dòng)力載荷對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片應(yīng)變特性的影響】