CN101949731A - 大型风电叶片高阶频率的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型风电叶片高阶频率的测试方法，该方法首先确定了合理的测点布置方案，使用高弹性聚能力锤对叶片进行激振，并采用加速度传感器来测试叶片的振动响应，通过数据采集系统对叶片频率进行采集，最后通过后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，确定该大型风电叶片各阶固有频率。本发明采用改进后的不测力法测试大型风电叶片的高阶频率，克服了由于其具有大展弦比、大质量、固有频率较低(设计一阶挥舞频率低于1Hz)而不易激励的特点，能直观有效地测试出40m以上大型玻璃钢风电叶片的高阶频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型结构件振动模态的测试方法，具体涉及一种大型风电叶片高阶频率的测试方法。主要用于大型风电叶片高阶频率振动模态特性验证和监测。
背景技术
随着风电产业的大型化发展，风电叶片的长度和柔度越来越大，这使得叶片的失稳问题越来越受到关注。为了防止风电叶片发生振动失稳和共振应力所引起的疲劳失稳，延长叶片寿命，避免风轮的失稳破坏，必须在设计和制备过程中想办法降低风电叶片共振动应力，以及需要对已生产风电叶片的设计振动模态特性进行验证和监测。结构的模态特性包括结构的振动频率、振型及阻尼比，该参数只与结构自身的材料特性、刚度、重量、约束等有关，与外界载荷无关。虽然结构的自振频率、振型可以通过理论计算求得，但通过测试得到的模态特性仍然具有重要的意义，不仅可以验证理论计算结果，而且还是大型风电叶片安全性评估及损伤识别的重要依据。
目前传统的试验模态分析方法可以分为频响函数法(简称测力法)和环境激励法(简称不测力法)两种。所谓的测力法，就是在试验过程中需要同时测量激励力和响应的方法。对于小型叶片，由于其固有频率高，易激励，测力简单，可采用测力法进行测量。但对于大型风电叶片，因其具有大展弦比、大质量、空壳结构、固有频率较低(设计一阶挥舞频率低于1Hz)的结构特点，激励和测力困难，因此不适宜采用测力法测量。不测力法就是在试验过程中不需要测量激励力的方法，一般采用环境激励的方法，但是环境激励的不测力法受外界环境因素的影响较大，既不可控又难以测量，而且随机性很大，采样时间要求较长，环境风载和噪声干扰的影响往往使得不测力法难以得到准确的频率测试结果，特别是大型风电叶片的高阶频率。
为了适应大型风电叶片设计、制备和安全监测的需要，发展和建立操作简单、测量准确的高阶频率测试方法具有重要的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有大型风电叶片的高阶频率测试技术的不足，提供一种简单、便捷、准确度高、适用性强的大型风电叶片高阶频率的测试方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种大型风电叶片高阶频率的测试方法，首先确定了合理的测点布置方案，使用高弹性聚能力锤对叶片进行激振，并采用加速度传感器来测试叶片的振动响应，通过数据采集系统对叶片频率进行采集，最后通过后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，确定该大型风电叶片各阶固有频率。所述大型风电叶片高阶频率的测试方法包括以下步骤：
1、确定叶片频率测试点
在进行频率测试之前，建立大型风电叶片的有限元模型，对风电叶片进行初步动力特性分析，据此确定叶片频率测试振动信号的测试点，使测试点沿叶片长度方向设置在振型模型曲线上位移较大的部位，并使测试点远离振动干扰源。
2、安装测试叶片及布置振动信号测试系统
将所需测试的叶片通过安装法兰用螺栓安装在叶片试验台上，并在上述有限元模型分析确定的相应测试点上安装振动信号传感器，并将传感器与数据采集系统相连接。
3、高弹性力锤激励及振动信号采集
采用高弹性力锤分别沿测试叶片的挥舞方向和摆振方向激励被测试叶片，利用加速度传感器对所述大型风电叶片分别进行挥舞方向的时域测试和摆振方向的时域测试，通过数据采集系统对叶片频率进行采集，并将采集到的信号通过传输线路传输到后端服务器和数据分析系统。
4、振动信号处理
使用加速度传感器测量得到的风电叶片在不同位置处的振动加速度值之后，通过后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，最后确定该大型风电叶片各阶固有频率。
上述技术方案中，步骤一：确定叶片频率测试点包括确定测试点的个数和位置，原理是尽量将测试点设置在叶片长度方向上振型模型曲线位移较大的部位，并使测试点远离振动干扰源；模态振型可通过ANSYS有限元软件建立风电叶片的有限元模型进行其动力特性分析初步确定，并结合风电叶片的长度确定测试点的个数；对于1.5MW以上的大型风电叶片频率测试点个数优选为8个以上，相邻测试点间的间距优选范围为1-3m，且以等距为优；此外，因为风电叶片的主承力梁承载叶片的主要载荷且载荷作用下变形最大，因此叶片挥舞方向频率测试的测试点应优选在沿长度方向主承力梁中心线上。
上述技术方案中，步骤二：安装测试叶片及布置振动信号测试系统主要是将待测风电叶片安装在叶片试验台上和安装、连接传感器及信号采集处理系统。所述叶片试验台是由钢板及工字钢等钢结构组成，基础采用钢筋混凝土构筑，并且测试台要有足够的空间满足叶片变形、仪器设备摆放和安全要求等，测试台要保持清洁，无异物干扰；所述待测叶片通过叶片根部的金属安装法兰安装在叶片试验台上，固紧螺栓使待测叶片在整个测试过程中始终处于悬臂梁的状态；所述传感器与信号采集系统的连接线采用具有噪声屏蔽功能的连接线。
上述技术方案中，步骤三：高弹性力锤激励及振动信号采集采用高弹性力锤激励待测试叶片和采用加速度传感器对待测叶片进行时域测试，并通过数据采集系统采集测试信号。所述高弹性力锤为高弹性硅橡胶力锤，高弹性保证力锤在激励过程中能够对待测风电叶片提供足够激励力且保证不损坏待测叶片的壳体结构，力锤重量优选为1-3kg；激励位置优选为叶片叶尖部位1-4m处。
步骤三中，所述振动信号测试原理为时域测试，所谓时域测试是指直接在时间域中对系统进行分析测试的方法。在该测试方法中，通过时域测试得到时域数据需要通过快速傅里叶变换变换到频域进行参数识别。
步骤二和步骤三中，振动信号采集系统包括加速度传感器、抗混滤波传感器、信号采集仪和连接线。所述加速度传感器的测试频率范围为0.2Hz-1.5kHz；抗混滤波传感器为8-12通道；信号采集仪为8-12通道；连接线具有抗噪声干扰屏蔽功能。
上述技术方案中，步骤四：振动信号处理是通过后端服务器识别和分析加速度传感器测试得到的振动信号，最终得到风电叶片的各阶频率。所述后端服务器包括便携式计算机和振动信号测试软件。具体方法是通过测试软件对得到的振动信号进行重采样，时域数据去除均值和快速傅立叶变换等一系列处理，识别模态参数，最后确定大型风电叶片各阶固有频率。
上述技术方案中，采样参数包括采样频率、分析频率、滤波频率、采样时间和频谱分析频率分布率。所述采样频率的优选范围为1-80Hz；分析频率优选范围为1-40Hz；滤波频率优选范围为1-40Hz；采样时间优选范围为20-60s；频谱分析频率分辨率优选范围为0.01-0.5Hz。
上述技术方案中，应注意以下几点：
(1)加速度传感器应该通过钢制垫片固定在片叶表面，并在进行测试之前用数据采集系统检查安装状况，并试采样，调整放大器增益到合适档位，检查无误后再开始采样。
(2)要求传感器具有很低的频响特性以及较高的灵敏度，振动信号经过高放大倍数的低噪声放大器再进行传输。
(3)测试时，风电叶片挥舞方向和摆振方向的频率测试应分别激振和采样。
与现有技术相比，本发明的优点在于：首先，本发明的测试方法中采用高弹性力锤激励-不测力法测量大型风电叶片的高阶频率，不仅克服了大型风电叶片难于激励的问题，而且有效地解决了不测力法易受外界环境因素影响的问题；其次，本发明的测试方法不仅能够准确测量大型风电叶片的一阶固有频率，而且能够同时准确得到风电叶片的高阶固有频率；此外，本发明的测试方法简单易行，测试结果直观准，可有效应用于各种大型风电叶片的高阶频率测试。
附图说明
图1为本发明所述的大型风电叶片高阶频率测试方法的流程图；
图2为本发明所述的叶片试验台的结构示意图；
图3为本实施例中40m长风电叶片高阶频率测试的测点布置示意图；
图4为本实施例中力锤激励下挥舞方向叶片各测点的加速度频谱图；
图5为本实施例中力锤激励下摆振方向叶片各测点的加速度时域图和频谱图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细地说明。
一种大型风电叶片高阶频率的测试方法，首先确定了合理的测点布置方案，使用高弹性聚能力锤对叶片进行激振，并采用加速度传感器来测试叶片的振动响应，通过数据采集系统对叶片频率进行采集，最后通过后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，确定该大型风电叶片各阶固有频率。所述大型风电叶片高阶频率的测试方法的流程如附图1所示，主要包括以下步骤：
1、确定叶片频率测试点
在进行频率测试之前，建立大型风电叶片的有限元模型，对风电叶片进行初步动力特性分析，据此确定叶片频率测试振动信号的测试点，使测试点沿叶片长度方向设置在振型模型曲线上位移较大的部位，并使测试点远离振动干扰源。
2、安装测试叶片及布置振动信号测试系统
将所需测试的叶片通过安装法兰用螺栓安装在叶片试验台上，并在上述有限元模型分析确定的相应测试点上安装振动信号传感器，并将传感器与数据采集系统相连接。
3、高弹性力锤激励及振动信号采集
采用高弹性力锤分别沿测试叶片的挥舞方向和摆振方向激励被测试叶片，利用加速度传感器对所述大型风电叶片分别进行挥舞方向的时域测试和摆振方向的时域测试，通过数据采集系统对叶片频率进行采集，并将采集到的信号通过传输线路传输到后端服务器和数据分析系统。
4、振动信号处理
使用加速度传感器测量得到的风电叶片在不同位置处的振动加速度值之后，通过后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，最后确定该大型风电叶片各阶固有频率。
上述技术方案中，步骤一：确定叶片频率测试点包括确定测试点的个数和位置，原理是尽量将测试点设置在叶片长度方向上振型模型曲线位移较大的部位，并使测试点远离振动干扰源；模态振型可通过ANSYS有限元软件建立风电叶片的有限元模型进行其动力特性分析初步确定，并结合风电叶片的长度确定测试点的个数；对于1.5MW以上的大型风电叶片频率测试点个数优选为8个以上，相邻测试点间的间距优选范围为1-3m，且以等距为优；此外，因为风电叶片的主承力梁承载叶片的主要载荷且载荷作用下变形最大，因此叶片挥舞方向频率测试的测试点应优选在沿长度方向主承力梁中心线上。
上述技术方案中，步骤二：安装测试叶片及布置振动信号测试系统主要是将待测风电叶片安装在叶片试验台上和安装、连接传感器及信号采集处理系统。所述叶片试验台是由钢板及工字钢等钢结构组成，基础采用钢筋混凝土构筑，并且测试台要有足够的空间满足叶片变形、仪器设备摆放和安全要求等，测试台要保持清洁，无异物干扰；所述待测叶片通过叶片根部的金属安装法兰安装在叶片试验台上，固紧螺栓使待测叶片在整个测试过程中始终处于悬臂梁的状态；所述传感器与信号采集系统的连接线采用具有噪声屏蔽功能的连接线。
上述技术方案中，步骤三：高弹性力锤激励及振动信号采集采用高弹性力锤激励待测试叶片和采用加速度传感器对待测叶片进行时域测试，并通过数据采集系统采集测试信号。所述高弹性力锤为高弹性硅橡胶力锤，高弹性保证力锤在激励过程中能够对待测风电叶片提供足够激励力且保证不损坏待测叶片的壳体结构，力锤重量优选为1-3kg；激励位置优选为叶片叶尖部位1-4m处。
步骤三中，所述振动信号测试原理为时域测试，所谓时域测试是指直接在时间域中对系统进行分析测试的方法。在该测试方法中，通过时域测试得到时域数据需要通过快速傅里叶变换变换到频域进行参数识别。
步骤二和步骤三中，振动信号采集系统包括加速度传感器、抗混滤波传感器、信号采集仪和连接线。所述加速度传感器的测试频率范围为0.2Hz-1.5kHz；抗混滤波传感器为8-12通道；信号采集仪为8-12通道；连接线具有抗噪声干扰屏蔽功能。
上述技术方案中，步骤四：振动信号处理是通过后端服务器识别和分析加速度传感器测试得到的振动信号，最终得到风电叶片的各阶频率。所述后端服务器包括便携式计算机和振动信号测试软件。具体方法是通过测试软件对得到的振动信号进行重采样，时域数据去除均值和快速傅立叶变换等一系列处理，识别模态参数，最后确定大型风电叶片各阶固有频率。
上述技术方案中，采样参数包括采样频率、分析频率、滤波频率、采样时间和频谱分析频率分布率。所述采样频率的优选范围为1-80Hz；分析频率优选范围为1-40Hz；滤波频率优选范围为1-40Hz；采样时间优选范围为20-60s；频谱分析频率分辨率优选范围为0.01-0.5Hz。
上述技术方案中，应注意以下几点：
(1)加速度传感器应该通过钢制垫片固定在片叶表面，并在进行测试之前用数据采集系统检查安装状况，并试采样，调整放大器增益到合适档位，检查无误后再开始采样。
(2)要求传感器具有很低的频响特性以及较高的灵敏度，振动信号经过高放大倍数的低噪声放大器再进行传输。
(3)测试时，风电叶片挥舞方向和摆振方向的频率测试应分别激振和采样。
实施例：
依据本发明的测试方法，测试40m长风电叶片的高阶频率。本实施例中所需的测试设备及其基本性能要求如下：
表1测试仪器列表
| 序号 | 仪器名称 | 仪器型号 | 备注 |
| 1 | 便携式计算机 | E4000 | / |
| 2 | 测试软件 | DASP 2006 | / |
| 3 | 信号采集仪 | INV306U-5160 | 12通道 |
| 4 | 抗混滤波放大器 | INV-8 | 8通道 |
| 5 | 加速度传感器 | INV9818 | 测量范围0.2Hz～1.5kHz |
| 6 | 高弹性聚能力锤 | DFC-2 | 硅胶锤头 |
| 7 | 连接线 | 市售 | 噪声屏蔽 |
具体测试方法如下：
1、确定叶片频率测试点
建立40m长风电叶片的有限元模型，分析其动力特性，据此确定40m长叶片频率测试的测试点：挥舞方向频率测试测试点为8个，相邻测试点间距为2m，1-8个测试点位置分别位于壳体上主承力梁部位叶尖往叶根方向39、37、35、33、31、29、27和25m处；摆振方向频率测试测试点为2个，两个测试点间距为2m，位置位于叶片前缘25和27m处，具体如图3所示；挥舞方向和摆振方向高弹性力锤激励位置均为叶片37.5m处，两者的差别在于激励的方向不同，具体如图3所示。
2、安装测试叶片及布置振动信号测试系统
将所需测试的叶片通过安装法兰用螺栓安装在叶片试验台(如图2所示)上，使叶片处于悬臂梁状态，并在步骤一确定的叶片位置安装加速度传感器，将加速度传感器与数据采集系统(信号采集仪、抗混滤波放大器、计算机)相连接。
3、高弹性力锤激励及振动信号采集
设置采样参数，本实施例中采用参数设置为：采样频率：50.2Hz；分析频率：18Hz；滤波频率：18Hz；采样时间：30s；频谱分析频率分辨率：0.04Hz。
挥舞方向频率测试：在叶片37.5m处，采用高弹性力锤沿叶片的挥舞方向激励被测试叶片，通过数据采集系统采集挥舞方向8个加速度传感器的振动信号，并将采集到的信号通过传输线路传输到后端服务器和数据分析系统。力锤激励下挥舞方向叶片各测点的加速度频谱如附图4所示。
摆振方向频率测试：在叶片37.5m处，采用高弹性力锤沿叶片的摆振方向激励被测试叶片，通过数据采集系统采集挥舞方向2个加速度传感器的振动信号，并将采集到的信号通过传输线路传输到后端服务器和数据分析系统。力锤激励下摆振方向叶片各测点的加速度时域图和频谱图如附图5所示。
4、振动信号处理
挥舞方向频率测试信号处理：通过计算机上的测试软件对得到的挥舞方向频率测试振动信号进行重采样，时域数据去除均值和快速傅立叶变换等一系列处理，识别模态参数，最后确定大型风电叶片挥舞方向的各阶固有频率。
摆振方向频率测试信号处理：通过计算机上的测试软件对得到的摆振方向频率测试振动信号进行重采样，时域数据去除均值和快速傅立叶变换等一系列处理，识别模态参数，最后确定大型风电叶片摆振方向的各阶固有频率。
表2实施例中40m长风电叶片挥舞方向前四阶模态频率处各测点的加速度峰值(m/s2)
表3实施例中40m长风电叶片挥舞方向前四阶模态频率
| 挥舞模态阶次 | 第一阶 | 第二阶 | 第三阶 | 第四阶 |
| 频率(Hz) | 0.8 | 2.2 | 4.6 | 7.75 |
表4实施例中40m长风电叶片摆振方向前三阶模态频率处各测点的加速度峰值(m/s2)
表5实施例中40m长风电叶片挥舞方向前三阶模态频率
| 挥舞模态阶次 | 第一阶 | 第二阶 | 第三阶 |
| 频率(Hz) | 1.45 | 4.15 | 9.55 |
Claims (5)
1.一种大型风电叶片高阶频率的测试方法，其特征在于：首先确定了合理的测点布置方案，使用高弹性聚能力锤对叶片进行激振，并采用加速度传感器来测试叶片的振动响应，通过数据采集系统对叶片频率进行采集，最后通过后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，确定该大型风电叶片各阶固有频率。
2.根据权利要求1所述的大型风电叶片高阶频率的测试方法，其特征在于：大型风电叶片高阶频率的测试包括以下步骤：
(1)确定叶片频率测试点
在进行频率测试之前，建立大型风电叶片的有限元模型，对风电叶片进行初步动力特性分析，据此确定叶片频率测试振动信号的测试点，使测试点沿叶片长度方向设置在振型模型曲线上位移较大的部位，并使测试点远离振动干扰源；
(2)安装测试叶片及布置振动信号测试系统
将所需测试的叶片通过安装法兰用螺栓安装在叶片试验台上，并在上述有限元模型分析确定的相应测试点上安装振动信号传感器，并将传感器与数据采集系统相连接；
(3)高弹性力锤激励及振动信号采集
采用高弹性力锤分别沿测试叶片的挥舞方向和摆振方向激励被测试叶片，利用加速度传感器对所述大型风电叶片分别进行挥舞方向的时域测试和摆振方向的时域测试，通过数据采集系统对叶片频率进行采集，并将采集到的信号通过传输线路传输到后端服务器和数据分析系统；
(4)振动信号处理
使用加速度传感器测量得到的风电叶片在不同位置处的振动加速度值之后，通过后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，最后确定该大型风电叶片各阶固有频率。
3.根据权利要求1或2所述的大型风电叶片高阶频率的测试方法，其特征在于：所述叶片频率测试的振动激励为高弹性力锤激励，激励位置位于叶尖部位。
4.根据权利要求1或2所述的大型风电叶片高阶频率的测试方法，其特征在于所述叶片挥舞方向频率测试的测试点至少为8个，相邻测试点间距为2m；所述叶片摆振方向频率测试的测试点至少为2个，相邻测试点间距为2m。
5.根据权利要求1或2所述的大型风电叶片高阶频率的测试方法，其特征在于所述叶片试验台是由钢板及工字钢等钢结构组成，基础采用钢筋混凝土构筑，并且测试台要有足够的空间满足叶片变形、仪器设备摆放和安全要求等，测试台要保持清洁，无异物干扰。
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