复杂装备雨滴侵蚀可靠性优化设计方法及其在风力发电机中的应用

Raindrop erosion is an important factor that causes the fatigue of outdoor complex equipment. However, there has been limited research on theories and methods to solve product reliability issues due to raindrop erosion. For this challenging problem, the proposed research investigates theories and methods of reliability-based design optimization (RBDO) considering raindrop erosion. The main research content includes: 1) Proposing a new method to create spatiotemporal nonhomogeneous raindrop fields which are controlled by the macro- and micro-parameters. By integrating the joint probability distribution of the macro- and micro-parameters and the transient dynamic analysis of stochastic raindrop-solid impact, the dynamic uncertainty of the raindrop loads can be well quantified; 2) Proposing new methods for the fatigue life prediction at the incubation period, the lateral jetting impact at the increasing period, and the cushion effect of the rain membrane at the placid period, to explain the mechanism of the full life cycle of raindrop erosion under the realistic rainy environment; 3) Proposing new methods for performance evaluation, reliability analysis, and probabilistic sensitivity calculation of dynamic response and gradual degradation coupled complex equipment, thus forming new theories and methods for RBDO of complex equipment considering raindrop erosion. Based on the proposed theoretical research, an application-oriented RBDO software considering raindrop erosion will be developed and applied to the design of large-scale wind turbines. Hence, the proposed research provides theoretical, methodological, technical and tool support for RBDO of complex equipment considering raindrop erosion.

雨滴侵蚀是造成室外复杂装备疲劳损伤的一个重要因素，但目前尚缺乏有效理论与方法解决雨滴侵蚀造成的产品可靠性问题。针对这一问题，本项目提出雨滴侵蚀可靠性优化设计理论与方法研究。提出时空非均质雨滴场构建方法，建立雨滴场宏微观参数的联合概率分布与雨滴随机碰撞固体的瞬时动态分析模型，准确表征雨滴载荷的动态不确定性；提出雨滴侵蚀潜伏期疲劳寿命、增长期横向流射冲击作用、平静期雨膜缓冲作用的预测分析方法，揭示实际降雨环境下雨滴侵蚀全生命周期的演化机理；提出复杂装备动态响应与雨滴侵蚀渐变耦合的性能分析、可靠性分析、概率灵敏度计算方法，形成考虑雨滴侵蚀的复杂装备可靠性优化设计理论与方法。在理论研究的基础上，研制雨滴侵蚀可靠性优化设计软件系统，应用于大型风力发电机设计中，为复杂装备雨滴侵蚀可靠性优化设计提供理论、方法、技术与工具支持。

本项目围绕复杂装备雨滴侵蚀可靠性优化设计难题，在雨滴载荷不确定性表征、雨滴侵蚀演化机理解析、考虑雨滴侵蚀的可靠性分析和优化方法、雨滴侵蚀可靠性优化设计软件开发及其在风力发电机中的应用等方面开展了系统深入的研究，取得的创新性成果有：（1）提出了多雨滴随机碰撞固体表面的瞬时动态分析方法，通过构建实际降雨过程中多速度、多角度、多形状的雨滴随机碰撞模型，精确有效地求解了被碰固体表面的水锤压力以及应力分布；（2）提出了时空非均质雨滴场模型，建立了雨滴在降落过程中其速度、形状、尺寸等受风速和风向影响的时序动态变化模型，提出了基于集成经验模态分解-贝叶斯优化-长短期记忆神经网络，准确预测复杂风雨场中随机风速时序；（3）提出了基于实测降雨数据与光滑粒子流体动力学的动态不确定雨滴载荷表征方法，根据真实历史气象降雨数据，建立了降雨强度与持续时间等雨滴场宏观分布参数的概率质量函数，研究了雨场降雨强度对雨滴撞击速度的影响，分析了不同降雨强度下多雨滴随机撞击固体表面的复杂应力变化；（4）提出了融合随机雨场模拟、多雨滴随机撞击应力计算、涂层疲劳分析的雨滴侵蚀疲劳寿命计算方法，建立了复杂装备考虑雨滴侵蚀的疲劳计算全流程；（5）提出了雨滴侵蚀下复杂装备表面涂层疲劳寿命确定性优化设计方法，构建了基于强化学习的高维连续优化算法，解决了包含高维非线性随机系统动态响应与雨滴侵蚀渐变耦合失效的疲劳可靠性优化设计难题；（6）根据所提的理论、方法、模型、算法，开发了雨滴侵蚀可靠性优化设计软件，并应用于5-MW大型风力发电机考虑雨滴侵蚀的转速优化设计，解决了不同风速和降雨强度下包含525个转速设计变量的5-MW大型风力发电机转速高维优化设计难题。本项目的研究成果为大型风力发电机等复杂装备雨滴侵蚀可靠性分析与优化设计提供了重要的理论、方法、技术与工具支持。

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