[0001] 本申请涉及风电叶片技术领域，特别是涉及一种风电叶片扭转刚度的测试装置和方法。

[0002] 叶片扭转测试是评估风电叶片扭转性能的重要手段，尤其在设计和验证阶段对于验证叶片结构的可靠性和安全性至关重要。目前叶片扭转测试主要是将叶片固定于测试台
上，通过吊车或重物对相应截面的测试工装施加载荷，根据叶片上粘贴的角度传感器计算
叶片的刚度变形。然而上述测试存在无法平衡自身重力，不能保证工装自身不产生变形，叶
片在加载过程中的旋转中心保持不变，以及无法精确控制施加载荷等诸多问题。

[0032] 为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申
请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不
违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

[0033] 在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示
或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解
为对本申请的限制。

[0034] 此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、
“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术
语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0035] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一
体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可
以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域
的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0036] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间
媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特
征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之
下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水
平高度小于第二特征。

[0037] 需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以
是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂
直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

[0038] 参阅图1至图3，图1示出了本申请一实施例中的风电叶片扭转刚度测试装置的整体结构示意图，本申请一实施例提供的风电叶片扭转刚度测试装置，包括加载端31、固定端
32和叶片段33，加载端31和固定端32相对设置，叶片段33置于加载端31和固定端32之间。

[0039] 所述加载端31包括反力支架1、夹持元件一、两个载荷施加元件、称重传感器11、千斤顶12和重力平衡装置13。所述反力支架1包括两组，每组反力支架1设置在夹持元件一的
两侧，所述两个载荷施加元件均通过圆夹具吊耳15与夹持元件一连接，采用上下双点式对
叶片段33进行相对方向的牵引，所述重力平衡装置13设置在夹持元件一的下方，称重传感
器11和千斤顶12设置在所述重力平衡装置13的下方；

[0040] 所述固定端32包括斜撑19、立柱20、横梁21和夹持元件二，横梁21包括上横梁和下横梁，夹持元件二设置在上横梁和下横梁之间，所述横梁21与立柱20连接，横梁21可在立柱
20上移动，如此可夹持不同高度的叶片夹具，所述斜撑19设置在立柱20的侧边。

[0041] 所述测试装置还包括地基，所述地基上间隔设置多个凹槽，加载端31和固定端32通过凹槽与地基滑动连接，如此可根据测试的需求自由调整加载端和固定端夹持元件的装
夹尺寸参数，以适应不同规格的样件尺寸，加载端31和固定端32均使用地脚螺栓螺母组合
连接至地基上。

[0042] 所述反力支架1的侧边设置有侧撑，所述加载端31的反力支架1和侧撑均与地基连接。反力支架1和侧撑组合，可实现加载端31工装的受力稳定。

[0043] 所述立柱20设置有两组，每组有两个立柱20设置在所述夹持元件二的两侧。所述固定端32的立柱20和斜撑19均与地基连接。立柱与斜撑组合，可实现固定端工装的受力稳
定。

[0044] 结合图2所示，图2示出了本申请一实施例中的风电叶片扭转刚度测试装置的加载端结构示意图，在一些实施例中，所述夹持元件一包括木夹具固定块14、圆夹具16、木夹具
17和丝杆一18，所述圆夹具16包括上圆夹具和下圆夹具，所述木夹具17包括上木夹具和下
木夹具，所述木夹具17设置在圆夹具16之间，所述木夹具固定块14设置在木夹具17的两端
且木夹具固定块14与木夹具17连接，同时木夹具固定块14也与圆夹具16连接，所述丝杆一
18穿过上圆夹具和下圆夹具。木夹具固定块14可在圆夹具16上移动以适应不同宽度的叶片
段。

[0045] 所述载荷施加元件包括鼻型吊耳2、电动缸3、鱼眼杆4、钢丝绳5、定滑轮组6、力传感器9和D型吊耳10，电动缸3通过鼻型吊耳2固定在反力支架1上，电动缸3与鱼眼杆4连接，
鱼眼杆4与钢丝绳5连接，定滑轮组6固定在反力支架1上，钢丝绳5穿过定滑轮连接力传感器
9的一端，通过D型吊耳10连接力传感器9的另一端，之后钢丝绳5通过圆夹具吊耳15与圆夹
具16连接。

[0046] 加载端31通过圆夹具16和木夹具17使用丝杆一18固定后夹持叶片段33的叶尖部位，以固定在地基8上的反力支架1集成载荷施加元件，反力支架1集成的载荷施加元件中包
含电动缸3、鱼眼杆4、钢丝绳5、力传感器9和定滑轮组6，其中电动缸3使用螺栓固定在反力
支架1上，电动缸3与鱼眼杆4连接，鱼眼杆4与钢丝绳5连接，定滑轮组6通过螺栓固定在反力
支架上，钢丝绳5穿过定滑轮连接力传感器9的一端，力传感器9另外一端使用吊耳与钢丝绳
5连接，之后钢丝绳5与圆夹具16通过圆夹具吊耳15进行连接，从而组成一个可以施加载荷
的结构，该载荷施加结构可精确控制加载力值的大小，测量结果准确，对叶片段的叶尖部位
施加纯扭转负载T，使叶片段发生扭转变形，再由叶片段表面的角度传感器测得叶片段选定
截面的扭转角，最终通过公式计算得到叶片段的扭转刚度k。其中计算公式为
式中，T为对叶片段的叶尖部位施加纯扭转载荷，αl2为角度传感器在叶片段靠近叶尖的位置
测得的扭转值，αl1为角度传感器在叶片段靠近叶根的位置测得的扭转值。

[0047] 结合图3所示，图3示出了本申请一实施例中的风电叶片扭转刚度测试装置的固定端结构示意图，在一些实施例中，所述夹持元件二包括木夹板23、丝杆二22和木夹板固定块
24，木夹板23包括上木夹板和下木夹板，所述木夹板固定块24设置在木夹板23的两端且与
木夹板连接，同时木夹板固定块24也与横梁21连接，木夹板固定块24可在横梁21上移动，丝
杆二22穿过上横梁和下横梁。所述固定端32通过横梁21和木夹板的组合，使用丝杆二22连
接后夹持叶片段的叶根部位，然后使用螺栓将横梁21与立柱20连接，为了提高固定端32的
稳定性，在立柱20侧边增加斜撑19使用螺栓将其与立柱20固定，然后用地脚螺栓组合固定
到地基上。通过调节横梁21在立柱20上的高度，可以夹持不同高度的木夹板，又由于木夹板
固定块24可在横梁21上移动，因而可实现对任意宽度的木夹板进行固定，叶片的任意角度
通过制定特定角度的叶片夹具来实现。同时加载端的叶片夹具、丝杆一和叶片夹具固定块
可以跟随固定端做出相应的调整，从而实现叶片段的横向或纵向任意角度的夹持。

[0048] 本申请还包括一种使用风电叶片扭转刚度测试装置的测试方法，所述测试方法主要包括：1)固定叶片段的叶根部位；2)固定叶片段的叶尖部位；3)安装传感器；4)平衡叶片
重量；5)收集数据；6)数据处理；具体操作如下：

[0049] 固定叶片段的叶根部位：先用地脚螺栓螺母组合将装置固定于地基8上，然后在固定端使用木夹板夹持叶片段，木夹板由木夹板固定块定位，木夹板和叶片段由丝杠和螺母
组合夹紧。立柱设置有两组，每组有两个分布在木夹板两侧，每根立柱在外侧设置有斜撑，
立柱和斜撑组合，最终实现固定端工装的受力稳定。

[0050] 固定叶片段的叶尖部位：加载端主要是通过圆形夹具工装进行固定，并在钢丝绳上安装力值传感器9，保证加载端上下力矩保持一致。

[0051] 安装传感器：根据叶片段需观察的区域，将各种传感器放置在叶片段33的表面，其中传感器包括角度传感器、位移传感器等，按预定间距粘贴在叶片段的迎风面主梁、背风面
主梁和前后缘等关键部位，载荷加载前各传感器数值清零，加载端施加扭转载荷后，各传感
器采集应变、位移、转角等数据，传感器输出模拟量信号(电压、电流、电阻)或数字量信号
(二进制信号)，通过变送器输出至信号采集系统，再通过上位机保存数据，再展示到显示
器，以实时监控叶片段的受力反应特性。

[0052] 平衡叶片重量：为了减小因叶片段自重而引起的测试误差，圆夹具下方设置有重力平衡装置13，承重传感器显示当前圆夹具及叶片段的自重，将重力平衡装置所受载荷控
制为圆夹具与叶片段的总重量即可实现重力平衡，通过加载端31的称重传感器11计算叶尖
重量，然后利用千斤顶12和重力平衡装置13来平衡叶片的重量，叶片重量的不平衡可能导
致测试过程中的力矩分布不均，通过平衡叶片重量，使得测试数据更加可靠。

[0053] 收集数据：测试开始之前需保证叶片处于零度弦向位置，采取逐级加载的方式，可以按照25％、50％、75％、100％(推荐但不仅限于)，从较低的载荷水平开始，有助于检测叶
片在低应力水平下的行为，同时避免突然施加过大载荷导致叶片损坏；采取逐级卸载的方
式，可以按照100％、75％、50％、25％(推荐但不仅限于)，在达到最高预定载荷后，逐渐减少
直至完全卸载，同时预测叶片的回弹量和任何残余变形；通过应变片、位移传感器、角度传
感器等实时监测叶片在扭转载荷作用下的应变、位移、角度等变化，通过叶片在测试过程中
的动态响应数据，利用数据分析软件进行稳态、模态等分析，帮助分析叶片在特定载荷下的
应力、应变分布，预测叶片的回弹量和残余变形。

[0054] 数据处理：计算迎风面主梁、背风面主梁以及前后缘的平均角度、修正角度以及与理论转角的偏差，主要通过计算叶片段各截面在受力前后的角度对比，来计算叶片的扭转
刚度k，其中计算公式为 式中，T为对叶片段的叶尖部位施加纯扭转载荷，αl2为
角度传感器在叶片段靠近叶尖的位置测得的扭转值，αl1为角度传感器在叶片段靠近叶根的
位置测得的扭转值；其中T的计算公式为 F为力传感器测量钢丝绳的轴向受力，R为
圆夹具半径和圆夹具吊耳有效高度之和。

[0055] 叶尖有支撑和无支撑的两种验证情况，通过将两种叶尖形式的测试数据与有限元仿真模拟数据进行对比可知，测试值基本与仿真模拟分析值吻合；且叶片在有支撑扭转测
试时各部位角度吻合度较高，叶尖无支撑扭转测试值与理论值对比的平均偏差较小；此外
该测试装置可作为各型号叶片验证扭转刚度的设备。

[0056] 本测试方法中可以将多个部位的装置根据实际情况进行调整，例如可以将反力支架1替换为具备承受横向载荷的机械类、混凝土类承力设备或基座；电动缸3可以替换为液
压缸、卷扬机、气缸；鱼眼杆4可以替换为铰链连接件；斜撑19可以替换为使用螺纹控制长度
的可伸缩类结构加固装置。

[0057] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0058] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护
范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。