一種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法，屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。由于風(fēng)電塔筒尺寸龐大，所處環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)的使用應(yīng)變片測量結(jié)構(gòu)應(yīng)力的方法所需應(yīng)變片數(shù)量較多，而且應(yīng)變片不能長期處于惡劣的環(huán)境之中，不適合作為風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測方法。本發(fā)明根據(jù)風(fēng)電塔筒晃動特點(diǎn)，將晃動分解為晃動平衡位置和圍繞平衡位置的晃動幅度，分別對應(yīng)交變應(yīng)力中的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅，并建立了晃動與應(yīng)力之間的關(guān)系，從而可以通過監(jiān)測風(fēng)電塔筒的晃動來反映風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，解決了應(yīng)變片測應(yīng)力的方法受限于風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)尺寸以及工作環(huán)境的問題。此外，本發(fā)明方便實(shí)用，適合大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的在線應(yīng)力監(jiān)測。
【專利說明】一種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線 監(jiān)測方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 隨著新能源的研究發(fā)展，風(fēng)電越來越受到人們的關(guān)注。目前，我國風(fēng)力發(fā)電量已經(jīng) 超過核電，成為第三大主力能源。隨著風(fēng)電機(jī)組向兆瓦級方向發(fā)展，風(fēng)電塔筒的高度在不斷 增加，隨之而來的是更加復(fù)雜多變的外部載荷，對風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)可靠性提出了更高的要 求。風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)失效會造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)失效的主要原 因是，在外界載荷作用下，風(fēng)電塔筒產(chǎn)生晃動，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，產(chǎn)生交變應(yīng)力，當(dāng)交變應(yīng) 力的應(yīng)力幅超過材料的疲勞極限應(yīng)力之后，在結(jié)構(gòu)中就會產(chǎn)生疲勞損傷的積累，經(jīng)過一定 的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，結(jié)構(gòu)在正常載荷作用下就會發(fā)生疲勞失效。因此，對風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng) 力監(jiān)測的目的是掌握塔筒結(jié)構(gòu)的疲勞狀態(tài)，有效預(yù)防安全事故的發(fā)生，延長使用壽命。
[0003] 傳統(tǒng)的應(yīng)力監(jiān)測方法為：在監(jiān)測對象的表面布置應(yīng)變片，通過獲取測點(diǎn)處的應(yīng)變， 結(jié)合材料特性，計算得到應(yīng)力。對于風(fēng)電塔筒這一監(jiān)測對象，傳統(tǒng)的應(yīng)力監(jiān)測方法主要缺點(diǎn) 為：1)風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)尺寸龐大，需要數(shù)量較多的應(yīng)變片，造成監(jiān)測系統(tǒng)過于復(fù)雜，不經(jīng)濟(jì)實(shí) 用。2)應(yīng)變片需要使用粘接劑貼裝到結(jié)構(gòu)表面，不宜長期處在惡劣的環(huán)境中，而風(fēng)電塔筒所 處的環(huán)境較為惡劣，這對長期的在線監(jiān)測不利。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 本發(fā)明的目的在于針對大型風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種針對大型風(fēng)電塔筒 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法，該方法通過監(jiān)測風(fēng)電塔筒的晃動來進(jìn)行塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力在線監(jiān) 測，其可以有效地監(jiān)測風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，提高了監(jiān)測的實(shí)用性。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：
[0006] -種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法，該方法通過建立風(fēng)電塔筒晃動 與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的關(guān)系，通過監(jiān)測塔筒的晃動來進(jìn)行塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測。
[0007] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，具體包括以下步驟：
[0008] 1)采用安裝于風(fēng)電塔筒機(jī)艙的電容式三軸MEMS加速度傳感器實(shí)時同步采集塔筒 的結(jié)構(gòu)振動加速度信號；
[0009] 2)對步驟1)采集的結(jié)構(gòu)振動加速度信號進(jìn)行處理，分別提取其中的重力加速度 分量和運(yùn)動加速度分量；
[0010] 3)對步驟2)中所提取的重力加速度分量，根據(jù)三軸MEMS加速度傳感器傾斜測量 原理計算得到風(fēng)電塔筒頂部傾角，再由風(fēng)電塔筒頂部傾角與其撓度幾何關(guān)系，得到風(fēng)電塔 筒晃動的平衡位置；對步驟2)中所提取的運(yùn)動加速度分量，經(jīng)過二次積分，得到風(fēng)電塔筒 晃動的幅度；
[0011] 4)根據(jù)風(fēng)電塔筒最大應(yīng)力與風(fēng)電塔筒晃動的平衡位置及幅度的關(guān)系，將晃動平衡 位置轉(zhuǎn)化為風(fēng)電塔筒最大應(yīng)力點(diǎn)處的平均應(yīng)力，晃動幅度轉(zhuǎn)化為風(fēng)電塔筒最大應(yīng)力點(diǎn)處的 應(yīng)力幅，進(jìn)而表征風(fēng)電塔筒晃動過程中的交變應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的在線應(yīng)力監(jiān)測。
[0012] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，加速度信號處理的具體方法為：提取加速度信號中的直 流分量，即風(fēng)電塔筒處于平衡位置時的重力加速度分量；去除直流分量后的加速度信號即 風(fēng)電塔筒圍繞平衡位置晃動的運(yùn)動加速度信號。
[0013] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，風(fēng)電塔筒的晃動平衡位置和圍繞平衡位置的晃動幅度的 計算方法為：對于加速度信號中的直流分量，根據(jù)三軸MEMS加速度傳感器傾角測量原理 計算得到晃動處于平衡位置時的彎曲傾角，再根據(jù)風(fēng)電塔筒頂部撓度與彎曲傾角之間的幾 何關(guān)系確定晃動平衡位置；對于運(yùn)動加速度，經(jīng)過二次積分，得到風(fēng)電塔筒的晃動幅度；其 中，風(fēng)電塔筒晃動平衡位置反映平均應(yīng)力，圍繞平衡位置的晃動幅度反映應(yīng)力幅，根據(jù)平均 應(yīng)力和應(yīng)力幅表征結(jié)構(gòu)的交變應(yīng)力。
[0014] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，風(fēng)電塔筒晃動平衡位置和晃動幅度反映交變應(yīng)力的這一 關(guān)系是將風(fēng)電塔筒簡化為懸臂梁之后，根據(jù)懸臂梁最大撓度以及彎曲應(yīng)力計算公式得出 的。
[0015] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，風(fēng)電塔筒的晃動位移S(t)的計算公式如下：
[0016] S(t) = / [ / a(t)dt]dt (1)
[0017] 式中：a為風(fēng)電塔筒圍繞平衡位置晃動的運(yùn)動加速度，m · s_2 ;
[0018] t為風(fēng)電塔筒圍繞平衡位置晃動的采樣時間，s ;
[0019] 其中，風(fēng)電塔筒的晃動幅度7&取晃動位移S(t)的最大值。
[0020] 本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，風(fēng)電塔筒晃動處于平衡位置時的彎曲傾角包括風(fēng)電塔筒 塔頂X方向傾角0 1和風(fēng)電塔筒塔頂Y方向傾角θ2，其計算公式分別如下：
【權(quán)利要求】
1. 一種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法，其特征在于，該方法通過建立風(fēng) 電塔筒晃動與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的關(guān)系，通過監(jiān)測塔筒的晃動來進(jìn)行塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法，其特征在 于，具體包括以下步驟： 1) 采用安裝于風(fēng)電塔筒機(jī)艙的電容式三軸MEMS加速度傳感器實(shí)時同步采集塔筒的結(jié) 構(gòu)振動加速度信號； 2) 對步驟1)采集的結(jié)構(gòu)振動加速度信號進(jìn)行處理，分別提取其中的重力加速度分量 和運(yùn)動加速度分量； 3) 對步驟2)中所提取的重力加速度分量，根據(jù)三軸MEMS加速度傳感器傾斜測量原理 計算得到風(fēng)電塔筒頂部傾角，再由風(fēng)電塔筒頂部傾角與其撓度幾何關(guān)系，得到風(fēng)電塔筒晃 動的平衡位置；對步驟2)中所提取的運(yùn)動加速度分量，經(jīng)過二次積分，得到風(fēng)電塔筒晃動 的幅度； 4) 根據(jù)風(fēng)電塔筒最大應(yīng)力與風(fēng)電塔筒晃動的平衡位置及幅度的關(guān)系，將晃動平衡位置 轉(zhuǎn)化為風(fēng)電塔筒最大應(yīng)力點(diǎn)處的平均應(yīng)力，晃動幅度轉(zhuǎn)化為風(fēng)電塔筒最大應(yīng)力點(diǎn)處的應(yīng)力 幅，進(jìn)而表征風(fēng)電塔筒晃動過程中的交變應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的在線應(yīng)力監(jiān)測。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法，其特征在 于：加速度信號處理的具體方法為：提取加速度信號中的直流分量，即風(fēng)電塔筒處于平衡 位置時的重力加速度分量；去除直流分量后的加速度信號即風(fēng)電塔筒圍繞平衡位置晃動的 運(yùn)動加速度信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法，其特征在 于：風(fēng)電塔筒的晃動平衡位置和圍繞平衡位置的晃動幅度的計算方法為：對于加速度信號 中的直流分量，根據(jù)三軸MEMS加速度傳感器傾角測量原理計算得到晃動處于平衡位置時 的彎曲傾角，再根據(jù)風(fēng)電塔筒頂部撓度與彎曲傾角之間的幾何關(guān)系確定晃動平衡位置；對 于運(yùn)動加速度，經(jīng)過二次積分，得到風(fēng)電塔筒的晃動幅度；其中，風(fēng)電塔筒晃動平衡位置反 映平均應(yīng)力，圍繞平衡位置的晃動幅度反映應(yīng)力幅，根據(jù)平均應(yīng)力和應(yīng)力幅表征結(jié)構(gòu)的交 變應(yīng)力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法，其特征在 于：風(fēng)電塔筒晃動平衡位置和晃動幅度反映交變應(yīng)力的這一關(guān)系是將風(fēng)電塔筒簡化為懸臂 梁之后，根據(jù)懸臂梁最大撓度以及彎曲應(yīng)力計算公式得出的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法，其特征在 于：風(fēng)電塔筒的晃動位移S(t)的計算公式如下： S(t) = / [ / a(t)dt]dt (1) 式中：a為風(fēng)電塔筒圍繞平衡位置晃動的運(yùn)動加速度，m ·f; t為風(fēng)電塔筒圍繞平衡位置晃動的采樣時間，s ; 其中，風(fēng)電塔筒的晃動幅度yA取晃動位移S(t)的最大值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種針對大型風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測方法，其特征在 于：風(fēng)電塔筒晃動處于平衡位置時的彎曲傾角包括風(fēng)電塔筒塔頂X方向傾角Θ i和風(fēng)電塔 筒塔頂Y方向傾角Θ 2，其計算公式分別如下： (2) (3)
式中：ax、ay、az分別為風(fēng)電塔筒坐標(biāo)系的X、Y、Z三個方向的重力加速度分量，m · ; 且有，
(4) 其中：g為重力加速度，m· s_2 ; 風(fēng)電塔筒塔頂撓度和彎曲傾角的幾何關(guān)系式如下：
(5) (6) 式中：y:為風(fēng)電塔筒塔頂X方向撓度，m ; y2為風(fēng)電塔筒塔頂Y方向撓度，m ; 1為風(fēng)電塔筒高度/m; 風(fēng)電塔筒位于平衡位置處的塔頂撓度yB的計算公式如下：
(12) 將晃動平衡位置轉(zhuǎn)化為風(fēng)電塔筒最大應(yīng)力點(diǎn)處的平均應(yīng)力σπ，其計算公式如下：
(13) 式中：Ε為材料彈性模量，Pa ; I為截面慣性矩，m4 ; 將晃動幅度轉(zhuǎn)化為風(fēng)電塔筒最大應(yīng)力點(diǎn)處的應(yīng)力幅，其計算公式如下：
(14) 至此，就建立了風(fēng)電塔筒最大應(yīng)力與塔頂晃動位移的關(guān)系，通過監(jiān)測塔筒的晃動來進(jìn) 行塔筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測。
【文檔編號】G01P15/08GK104122013SQ201410335944
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】侯成剛, 杜杰 申請人:西安交通大學(xué)