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申请/专利权人：沈阳工业大学

摘要：本发明设计一种服役工况风力机叶片主梁损伤敏感因素评估方法，属于风力机叶片主梁损伤因素评估技术领域；首先确定风电叶片主梁初始损伤的影响因素及分布信息，并依此采样获取样本点；其次对风电叶片主梁褶皱缺陷初始损伤进行定量化评估；然后由影响因素采样点及各采样点所对应的初始损伤定量指标作为训练数据集，基于BP神经网络建立风电叶片初始损伤的影响因素响应模型；基于所得的风电叶片初始损伤的影响因素响应模型，利用Sobol’s方法定量分析风电叶片主梁褶皱缺陷初始损伤演化的敏感程度；本发明根据叶片主梁的褶皱缺陷演化规律选取了7个影响因素，量度关键损伤区域的应力分布差异率，为定量分析初始损伤模式的不确定性提供了新的判定指标。

主权项：1.一种服役工况风力机叶片主梁损伤敏感因素评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定风电叶片主梁初始损伤的影响因素及分布信息，并依此采样获取样本点；步骤2：对风电叶片主梁褶皱缺陷初始损伤进行定量化评估；风电叶片主梁褶皱缺陷的初始损伤包括基体损伤和纤维断裂两种损伤模式，由步骤1确定的七种因素导致的这两种损伤模式基于以下过程进行量化评估：步骤2.1：当褶皱缺陷演化为初始损伤时，基体损伤和纤维断裂损伤模式由损伤矩阵定量评估，损伤变量矩阵表示如下： 其中，D*为层合板受损时的损伤矩阵，D11、D12、D22分别为纵向、剪切、横向的损伤张量分量，E1、E2、E12分别为面内纵向、横向、剪切方向的弹性模量，损伤矩阵的损伤张量分量D11和D12标识为结构有效承载面积的相对减少量，通过有限元计算失效单元占比数来表示；步骤2.2：在外界载荷不变的情况下，材料损伤后的等效应力与响应应力之间基于损伤变量间建立如下关系： 其中，指材料损伤后的等效应力，是损伤区域多点应力的统计值；σ表示响应应力；步骤2.3：在损伤累积演化过程中，为了保持材料的弹性模量矩阵不会出现负惯性值，并维持柔度矩阵的对称性，基于含褶皱缺陷层合板的本构模型求得其应变以此来判断是否出现负惯性值：ε＝S0D*σ＝Sdσ4其中，中S0、Sd分别为材料未损伤和含损伤的柔度矩阵，柔度矩阵为测量得到的刚度矩阵的逆；步骤2.4：由公式2和3及损伤矩阵求取基体损伤下的等效应力和应变其中上标“a”表示在单元体积内的等效物理量，m表示基体损伤；对于基体损伤，每个单元内消耗的能量为： 每个单元内基体损伤的应变余能密度ΔGm为临界应变能密度Gm,C与该损伤模式下材料破坏所消耗的能量Gm之差，即：ΔGm＝Gm,C-Gm6步骤2.5：对于纤维断裂由有限元方法获得损伤分量D11、D12和D22，然后基于公式2和3求得纤维断裂下的等效应力和应变其中上标“a”表示在单元体积内的等效物理量，f表示纤维断裂；则每个单元内纤维断裂消耗的能量为： 每个单元内纤维断裂的应变余能密度为：ΔGf＝Gf,C-Gf8其中，ΔGf为每个单元内纤维断裂的应变余能密度，Gf,C为每个单元内纤维断裂的临界应变能密度，Gf为每个单元内纤维断裂的下材料破坏所消耗的能量；此时，每个单元内基体损伤和纤维断裂应变余能密度ΔGm和ΔGf均可求得，而初始损伤的程度由最大损伤处和非最大损伤处的应变余能密度的分布差异决定，因此量化最大损伤处与非最大损伤处的应变余能密度的分布差异就是寻找敏感度响应指标有效途径；步骤2.6：设基体损伤最大损伤处的应变余能密度为非最大损伤处的应变余能密度为和的分布差异采用差异度量方法KL散度求取，得到两个响应性指标；所述步骤2.6进一步包括：步骤2.6.1：由于在实际工程应用中，使用的都是离散的概率分布，所以只讨论离散形式下的对称KL散度定义为： 其中，p和q分别是和的概率分布函数；KLmp‖q表示和的分布差异，即基体损伤的敏感度响应指标Ym：Ym＝KLmp||q10步骤2.6.2：得到纤维断裂的敏感度响应指标；Yf＝KLfp||q11通过计算公式10和11求得Ym和Yf敏感度响应指标，即能确定7个影响参量对基体损伤和纤维断裂两种不同损伤模式的敏感程度；步骤3：由步骤1所获得影响因素采样点及由步骤2所得各采样点所对应的初始损伤定量指标作为训练数据集，基于BP神经网络建立风电叶片初始损伤的影响因素响应模型；所述步骤3进一步包括：步骤3.1：根据步骤1.2确定7个影响因素样本点xi为输入变量，根据步骤2计算敏感度响应指标Ym和Yf为输出变量；步骤3.2：确定网络拓扑结构进行拟合和预测；为了保证预测效果，采用正切S型函数Sigmoid为隐含层激励函数的单隐含层拓扑结构，隐含层神经元的个数则通过试算来确定；步骤3.3：在由步骤1中所得影响因素样本点取训练数据，对BP神经网络进行训练并评价预测效果，根据输入输出分布信息采样，并将样本数据点以70:15:15的比例随机分为训练集、测试集和验证集，用于训练神经网络参数和验证其精确性；选择回归模型精度评价指标均方根误差RMSE和可决系数R2衡量模型的优劣；误差计算公式如下： 其中：为第i个目标响应预测值；yi为第i个目标响应实际值；y为目标响应实际值的平均值；m为选取的样本的数目；步骤3.4：根据步骤3.3计算均方根误差RMSE和可决系数R2小于一定阈值后，则满足精度要求的响应模型已建立，与Sobol’s法结合建立风电叶片初始损伤的影响因素响应模型；步骤4：基于步骤3所得的风电叶片初始损伤的影响因素响应模型，利用Sobol’s方法定量分析风电叶片主梁褶皱缺陷初始损伤演化的敏感程度；所述步骤4进一步包括：首先，将各影响因素与敏感度响应指标的关系式展开为各个子函数的和： 其中，Ym,Yfx1,…,xn表示由风电叶片初始损伤的影响因素响应模型，n＝7表示因素维度，xi表示7个不同影响因素1≤i≤7，fx指影响因素响应模型展开的一组维度递增函数的和，f0为常数项，fixi为单个因素作为输入变量的函数，fijxi,xj表示任意两种因素作为输入变量的函数，f1,2,…,nx1,x2,…xn表示7个因素作为输入变量的函数；然后基于sobol’s法求各个因素的灵敏度；因fx无解析形式，由蒙特卡罗法求各因素的总方差表示为： 其中，m表示抽样次数，A为Sobol序列生成一系列低差异分布的点构造出矩阵；因展开项fixi和fijxi,xj没有解析形式，采用蒙特卡洛法对敏感度进行预估，得到影响因素xi的方差为： 其中，B为Sobol序列生成一系列低差异分布的点构造出独立于A的矩阵，表示将矩阵A中的i列替换成矩阵B中的i列，其他参数的各阶敏感度指数均可求得；两个参数间交互效应产生的偏方差Dij表达为： 其中，表示将矩阵A中的i、j列替分别换成矩阵B中的i、j列；所有参数间交互效应产生的方差D1,2,…n为： 其中：Dij为因素xi和xj共同作用产生的方差；因素xi的一阶敏感度Si为公式19所示： 公式19表示因素xi单独作用对响应指标的影响程度，因素xi的二阶零度为： 因素xi的高阶敏感度为： 上式表示因素xi与其他因素交互作用的对响应指标的影响，1≤i≤7；因素xi的总敏感度由各阶敏感度之和表示： 根据敏感度指数对影响因素的敏感度进行排序；总敏感度最高的因素将被评估为最具影响力的因素，为高敏感因素；相反，当被判断为无影响，为不敏感因素，在叶片主梁初始损伤分析中忽略。

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