CN104122013A - 一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法，属于结构健康监测领域。由于风电塔筒尺寸庞大，所处环境恶劣，传统的使用应变片测量结构应力的方法所需应变片数量较多，而且应变片不能长期处于恶劣的环境之中，不适合作为风电塔筒结构的应力监测方法。本发明根据风电塔筒晃动特点，将晃动分解为晃动平衡位置和围绕平衡位置的晃动幅度，分别对应交变应力中的平均应力和应力幅，并建立了晃动与应力之间的关系，从而可以通过监测风电塔筒的晃动来反映风电塔筒的结构应力，解决了应变片测应力的方法受限于风电塔筒的结构尺寸以及工作环境的问题。此外，本发明方便实用，适合大型风电塔筒结构的在线应力监测。

Description

一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法

【技术领域】

本发明属于结构健康监测领域，具体涉及一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法。

【背景技术】

随着新能源的研究发展，风电越来越受到人们的关注。目前，我国风力发电量已经超过核电，成为第三大主力能源。随着风电机组向兆瓦级方向发展，风电塔筒的高度在不断增加，随之而来的是更加复杂多变的外部载荷，对风电塔筒的结构可靠性提出了更高的要求。风电塔筒结构失效会造成重大经济损失，甚至人员伤亡。风电塔筒结构失效的主要原因是，在外界载荷作用下，风电塔筒产生晃动，导致结构发生形变，产生交变应力，当交变应力的应力幅超过材料的疲劳极限应力之后，在结构中就会产生疲劳损伤的积累，经过一定的应力循环次数，结构在正常载荷作用下就会发生疲劳失效。因此，对风电塔筒结构进行应力监测的目的是掌握塔筒结构的疲劳状态，有效预防安全事故的发生，延长使用寿命。

传统的应力监测方法为：在监测对象的表面布置应变片，通过获取测点处的应变，结合材料特性，计算得到应力。对于风电塔筒这一监测对象，传统的应力监测方法主要缺点为：1)风电塔筒结构尺寸庞大，需要数量较多的应变片，造成监测系统过于复杂，不经济实用。2)应变片需要使用粘接剂贴装到结构表面，不宜长期处在恶劣的环境中，而风电塔筒所处的环境较为恶劣，这对长期的在线监测不利。

【发明内容】

本发明的目的在于针对大型风电塔筒的结构特点，提出了一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法，该方法通过监测风电塔筒的晃动来进行塔筒结构应力在线监测，其可以有效地监测风电塔筒的结构应力，提高了监测的实用性。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法，该方法通过建立风电塔筒晃动与结构应力之间的关系，通过监测塔筒的晃动来进行塔筒结构应力监测。

本发明进一步改进在于，具体包括以下步骤：

1)采用安装于风电塔筒机舱的电容式三轴MEMS加速度传感器实时同步采集塔筒的结构振动加速度信号；

2)对步骤1)采集的结构振动加速度信号进行处理，分别提取其中的重力加速度分量和运动加速度分量；

3)对步骤2)中所提取的重力加速度分量，根据三轴MEMS加速度传感器倾斜测量原理计算得到风电塔筒顶部倾角，再由风电塔筒顶部倾角与其挠度几何关系，得到风电塔筒晃动的平衡位置；对步骤2)中所提取的运动加速度分量，经过二次积分，得到风电塔筒晃动的幅度；

4)根据风电塔筒最大应力与风电塔筒晃动的平衡位置及幅度的关系，将晃动平衡位置转化为风电塔筒最大应力点处的平均应力，晃动幅度转化为风电塔筒最大应力点处的应力幅，进而表征风电塔筒晃动过程中的交变应力，实现风电塔筒结构的在线应力监测。

本发明进一步改进在于，加速度信号处理的具体方法为：提取加速度信号中的直流分量，即风电塔筒处于平衡位置时的重力加速度分量；去除直流分量后的加速度信号即风电塔筒围绕平衡位置晃动的运动加速度信号。

本发明进一步改进在于，风电塔筒的晃动平衡位置和围绕平衡位置的晃动幅度的计算方法为：对于加速度信号中的直流分量，根据三轴MEMS加速度传感器倾角测量原理计算得到晃动处于平衡位置时的弯曲倾角，再根据风电塔筒顶部挠度与弯曲倾角之间的几何关系确定晃动平衡位置；对于运动加速度，经过二次积分，得到风电塔筒的晃动幅度；其中，风电塔筒晃动平衡位置反映平均应力，围绕平衡位置的晃动幅度反映应力幅，根据平均应力和应力幅表征结构的交变应力。

本发明进一步改进在于，风电塔筒晃动平衡位置和晃动幅度反映交变应力的这一关系是将风电塔筒简化为悬臂梁之后，根据悬臂梁最大挠度以及弯曲应力计算公式得出的。

本发明进一步改进在于，风电塔筒的晃动位移S(t)的计算公式如下：

S(t)＝∫[∫a(t)dt]dt  (1)

式中：a为风电塔筒围绕平衡位置晃动的运动加速度，m·s^-2；

t为风电塔筒围绕平衡位置晃动的采样时间，s；

其中，风电塔筒的晃动幅度y_A取晃动位移S(t)的最大值。

本发明进一步改进在于，风电塔筒晃动处于平衡位置时的弯曲倾角包括风电塔筒塔顶X方向倾角θ₁和风电塔筒塔顶Y方向倾角θ₂，其计算公式分别如下：

${\mathrm{\θ}}_1=\arctan \frac{a_x}{\sqrt{a_y^2+a_z^2}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=\arctan \frac{a_y}{\sqrt{a_x^2+a_z^2}}---\left(3\right)$

式中：a_x、a_y、a_z分别为风电塔筒坐标系的X、Y、Z三个方向的重力加速度分量，m·s^-2；且有，

$\sqrt{a_x^2+a_y^2+a_z^2}=g---\left(4\right)$

其中：g为重力加速度，m·s^-2；

风电塔筒塔顶挠度和弯曲倾角的几何关系式如下：

$y_1={\mathrm{\θ}}_1\·\frac{2l}{3}---\left(5\right)$

$y_2={\mathrm{\θ}}_2\·\frac{2l}{3}---\left(6\right)$

式中：y₁为风电塔筒塔顶X方向挠度，m；

y₂为风电塔筒塔顶Y方向挠度，m；

l为风电塔筒高度/m；

风电塔筒位于平衡位置处的塔顶挠度y_B的计算公式如下：

$y_B=\sqrt{y_1^2+y_2^2}---\left(12\right)$

将晃动平衡位置转化为风电塔筒最大应力点处的平均应力σ_m，其计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_m=-y_B\·\frac{3\mathrm{EI}}{W_z{l}^2}---\left(13\right)$

式中：E为材料弹性模量，Pa；

I为截面惯性矩，m⁴；

将晃动幅度转化为风电塔筒最大应力点处的应力幅，其计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_a=-y_A\·\frac{3\mathrm{EI}}{W_z{l}^2}---\left(14\right)$

至此，就建立了风电塔筒最大应力与塔顶晃动位移的关系，通过监测塔筒的晃动来进行塔筒结构应力监测。

与现有的应力监测方法相比，本发明具有以下优点：

1、测量更方便

本发明通过监测晃动来反映风电塔筒结构应力，只需一个安装于塔筒顶部机舱的电容式MEMS三轴加速度传感器采集加速度信号，测量简单便捷；而使用应变片测应力的方法则需要布置大量的应变片，使得测量复杂化。

2、更适合在线监测

本发明应用电容式MEMS三轴加速度传感器采集加速度信号，而且安装于塔筒顶部机舱内部，克服了应变片由于需要使用粘接剂进行贴装而不能长期处于恶劣环境的缺点，更加适合在线监测。

【附图说明】

图1是用于采集风电塔筒晃动过程中的加速度信号的电容式三轴MEMS加速度传感器的安装位置示意图。

图2是将采集到的风电塔筒晃动过程加速度信号进行处理，用以获得平衡位置和晃动幅度的计算流程图。

图3是三轴MEMS加速度传感器的倾角示意图。

图4是通过风电塔筒的晃动反映结构交变应力的示意图。

图5是风电塔筒塔顶挠度和倾角的几何关系示意图。

图6是某风电场的风电机组塔筒的晃动平衡位置的统计显示图，图6a显示了不同时间的平衡位置的统计显示图，图6b为平衡位置轴向和侧向倾斜随主轴转速的变化示意图。

图7是某风电场的风电机组塔筒的晃动幅度的统计显示。图7(a)为轴向晃动幅度，图7(b)为水平方向晃动幅度。

图中：1为风力发电机的叶片；2为风力发电机的机舱；3为电容式三轴MEMS加速度传感器，安装于机舱内部；4为风力发电机的塔筒。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法，该方法通过建立风电塔筒晃动与结构应力之间的关系，通过监测塔筒的晃动来进行塔筒结构应力监测。具体包括以下步骤：

1)采用安装于风电塔筒机舱的电容式三轴MEMS加速度传感器实时同步采集塔筒的结构振动加速度信号；

2)对步骤1)采集的结构振动加速度信号进行处理，分别提取其中的重力加速度分量和运动加速度分量；

3)对步骤2)中所提取的重力加速度分量，根据三轴MEMS加速度传感器倾斜测量原理计算得到风电塔筒顶部倾角，再由风电塔筒顶部倾角与其挠度几何关系，转化为位移，从而得到风电塔筒晃动的平衡位置；对步骤2)中所提取的运动加速度分量，经过二次积分，转化为位移，从而得到风电塔筒晃动的幅度；

4)根据风电塔筒最大应力与风电塔筒晃动的平衡位置及幅度的关系，将晃动平衡位置转化为平均应力，晃动幅度转化为应力幅，进而表征风电塔筒晃动过程中的交变应力，实现风电塔筒结构的在线应力监测。

参阅图1，图1是电容式三轴MEMS加速度传感器的安装图，其中，1为风力发电机的叶片，2为风力发电机的机舱，4为风力发电机的塔筒，3为电容式三轴MEMS加速度传感器，其安装于风力发电机的机舱2的内部内。本发明只需一个电容式三轴MEMS加速度传感器，其安装在风电塔筒顶部机舱内，这里晃动幅度最大，能够更好地采集晃动过程中的加速度信号。其中，电容式三轴MEMS加速度传感器的特点是：其频率响应可以从静态开始，因此，能够测量三个轴的重力加速度分量。

参阅图2，图2是风电塔筒加速度信号的处理流程图。具体流程为：同步采集X、Y、Z三个正交方向的加速度信号包含有风电塔筒处于平衡位置时的重力加速度分量和围绕平衡位置晃动时的运动加速度分量，分离这两种加速度分量就可以计算塔筒晃动的平衡位置和晃动幅度。加速度信号中的直流分量，即风电塔筒处于平衡位置时的重力加速度分量，因此通过提取直流分量，并根据三轴加速度传感器倾角测量原理计算得到晃动处于平衡位置时的弯曲倾角，从而确定塔筒晃动平衡时所处的位置；而信号去除直流分量的高频部分属于运动加速度，经过二次积分，得到了风电塔筒的晃动位移S(t)，二次积分公式如下：

s(t)＝∫[∫a(t)dt]dt  (1)

式中：a为风电塔筒围绕平衡位置晃动的运动加速度，m·s^-2；

t为风电塔筒围绕平衡位置晃动的采样时间，s；

其中，风电塔筒的晃动幅度y_A取晃动位移S(t)的最大值。

参阅图3，图3是三轴加速度传感器的倾角示意图。风电塔筒晃动处于平衡位置时的弯曲倾角包括风电塔筒塔顶X方向倾角θ₁和风电塔筒塔顶Y方向倾角θ₂，其计算公式分别如下：

${\mathrm{\θ}}_1=\arctan \frac{a_x}{\sqrt{a_y^2+a_z^2}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=\arctan \frac{a_y}{\sqrt{a_x^2+a_z^2}}---\left(3\right)$

式中：a_x、a_y、a_z分别为风电塔筒坐标系的X、Y、Z三个方向的重力加速度分量，m·s^-2；且有，

$\sqrt{a_x^2+a_y^2+a_z^2}=g---\left(4\right)$

其中：g为重力加速度，m·s^-2。

参阅图4，图4是风电塔筒的晃动与结构交变应力之间的关系示意图。由于塔筒的晃动是平衡位置与围绕平衡位置晃动的叠加。根据晃动的特点，晃动平衡位置处的应力即平均应力S_m，通过晃动幅度可以计算得到应力幅S_a。这样就可以通过在线监测塔筒的晃动平衡位置以及围绕平衡位置的晃动幅度，达到对交变应力进行监测的目的。

参阅图5，图5是风电塔筒塔顶挠度和倾角的几何关系示意图。风电塔筒可以近似为等截面的悬臂梁。根据悬臂梁的挠度与倾角计算公式，得到风电塔筒塔顶挠度和弯曲倾角的几何关系式如下：

$y_1={\mathrm{\θ}}_1\·\frac{2l}{3}---\left(5\right)$

$y_2={\mathrm{\θ}}_2\·\frac{2l}{3}---\left(6\right)$

式中：y₁为风电塔筒塔顶X方向挠度，m；

y₂为风电塔筒塔顶Y方向挠度，m；

l为风电塔筒高度/m。

风电塔筒的应力与塔顶晃动位移之间的关系，可以参考悬臂梁的弯曲应力计算公式：

$\mathrm{\σ}\frac{M}{W_z}---\left(7\right)$

式中：σ为风电塔筒最大应力点处的弯曲应力，MPa；

M为风电塔筒最大应力点处的截面弯矩，N·m；

W_z——抗弯截面模量/mm³。

对于截面为空心圆的悬臂梁来说：

$W_z=\frac{\mathrm{\π}{D}^3}{32}(1-{\mathrm{\α}}^4)---\left(8\right)$

式中：W_z为抗弯截面模量，mm³；

d为风电塔筒的内径，mm；

D为风电塔筒的外径，mm；

α为风电塔筒的内径与外径之比。

对于风电塔筒这种近似等截面悬臂梁的结构来说，根部的应力最大：

M＝Pl       (9)

$y_B^{\′}=-\frac{P{l}^3}{3\mathrm{EI}}---\left(10\right)$

式中：P为风电塔筒顶部的载荷，N。

将公式(9)、(10)代入悬臂梁弯曲应力计算公式(7)，可得：

${\mathrm{\σ}}_m=-y_B^{\′}\·\frac{3\mathrm{EI}}{W_z{l}^2}---\left(11\right)$

风电塔筒位于平衡位置处的塔顶挠度y_B的计算公式如下：

$y_B=\sqrt{y_1^2+y_2^2}---\left(12\right)$

在工程实际应用中，由载荷计算得到的风电塔筒顶部挠度y'_B与由风电塔筒顶部的重力加速度分量计算得到的风电塔筒顶部挠度y_B可以近似相等，因此风电塔筒最大应力点处的平均应力σ_m可以表示为：

${\mathrm{\σ}}_m=-y_B\·\frac{3\mathrm{EI}}{W_z{l}^2}---\left(13\right)$

式中：E为材料弹性模量，Pa；

I为截面惯性矩，m⁴。

将晃动幅度转化为风电塔筒最大应力点处的应力幅，其计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_a=-y_A\·\frac{3\mathrm{EI}}{W_z{l}^2}---\left(14\right)$

至此，就建立了风电塔筒最大应力与塔顶晃动位移的关系，通过监测塔筒的晃动来进行塔筒结构应力监测。

参阅图6，图6是某风电场的风电机组塔筒的晃动平衡位置的统计显示。图6a显示了不同时间的平衡位置，从图中看出，共同的特点是，轴向(X方向)要比侧向(Y方向)倾斜程度大，即塔筒的平衡位置偏向于轴向，这与轴向所受载荷较大有关；图6b为平衡位置轴向和侧向倾斜随主轴转速的变化。主轴转速随风速的增大而增大。从图中可以看出，轴向倾斜程度随风速的增大而增大，但是侧向的倾斜程度一直很平稳，变化很小。

参阅图7，图7是某风电场的风电机组塔筒的晃动幅度的统计显示。该图显示了风电塔筒在轴向和水平方向的晃动幅度随主轴转速的变化趋势，图7(a)为轴向晃动幅度，图7(b)为水平方向晃动幅度。对比两个方向晃动幅度随主轴转速增大的趋势，轴向增大趋势较明显；而水平方向晃动幅度增大趋势不够明显，而且分布的较为分散，这与其承受载荷较小且平稳有关。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法，其特征在于，该方法通过建立风电塔筒晃动与结构应力之间的关系，通过监测塔筒的晃动来进行塔筒结构应力监测。

2.根据权利要求1所述的一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)采用安装于风电塔筒机舱的电容式三轴MEMS加速度传感器实时同步采集塔筒的结构振动加速度信号；

2)对步骤1)采集的结构振动加速度信号进行处理，分别提取其中的重力加速度分量和运动加速度分量；

3)对步骤2)中所提取的重力加速度分量，根据三轴MEMS加速度传感器倾斜测量原理计算得到风电塔筒顶部倾角，再由风电塔筒顶部倾角与其挠度几何关系，得到风电塔筒晃动的平衡位置；对步骤2)中所提取的运动加速度分量，经过二次积分，得到风电塔筒晃动的幅度；

4)根据风电塔筒最大应力与风电塔筒晃动的平衡位置及幅度的关系，将晃动平衡位置转化为风电塔筒最大应力点处的平均应力，晃动幅度转化为风电塔筒最大应力点处的应力幅，进而表征风电塔筒晃动过程中的交变应力，实现风电塔筒结构的在线应力监测。

3.根据权利要求2所述的一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法，其特征在于：加速度信号处理的具体方法为：提取加速度信号中的直流分量，即风电塔筒处于平衡位置时的重力加速度分量；去除直流分量后的加速度信号即风电塔筒围绕平衡位置晃动的运动加速度信号。

4.根据权利要求2所述的一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法，其特征在于：风电塔筒的晃动平衡位置和围绕平衡位置的晃动幅度的计算方法为：对于加速度信号中的直流分量，根据三轴MEMS加速度传感器倾角测量原理计算得到晃动处于平衡位置时的弯曲倾角，再根据风电塔筒顶部挠度与弯曲倾角之间的几何关系确定晃动平衡位置；对于运动加速度，经过二次积分，得到风电塔筒的晃动幅度；其中，风电塔筒晃动平衡位置反映平均应力，围绕平衡位置的晃动幅度反映应力幅，根据平均应力和应力幅表征结构的交变应力。

5.根据权利要求4所述的一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法，其特征在于：风电塔筒晃动平衡位置和晃动幅度反映交变应力的这一关系是将风电塔筒简化为悬臂梁之后，根据悬臂梁最大挠度以及弯曲应力计算公式得出的。

6.根据权利要求4所述的一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法，其特征在于：风电塔筒的晃动位移S(t)的计算公式如下：

S(t)＝∫[∫a(t)dt]dt  (1)

式中：a为风电塔筒围绕平衡位置晃动的运动加速度，m·s^-2；

t为风电塔筒围绕平衡位置晃动的采样时间，s；

其中，风电塔筒的晃动幅度y_A取晃动位移S(t)的最大值。

7.根据权利要求4所述的一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法，其特征在于：风电塔筒晃动处于平衡位置时的弯曲倾角包括风电塔筒塔顶X方向倾角θ₁和风电塔筒塔顶Y方向倾角θ₂，其计算公式分别如下：

${\mathrm{\θ}}_1=\arctan \frac{a_x}{\sqrt{a_y^2+a_z^2}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=\arctan \frac{a_y}{\sqrt{a_x^2+a_z^2}}---\left(3\right)$

式中：a_x、a_y、a_z分别为风电塔筒坐标系的X、Y、Z三个方向的重力加速度分量，m·s^-2；且有，

$\sqrt{a_x^2+a_y^2+a_z^2}=g---\left(4\right)$

其中：g为重力加速度，m·s^-2；

风电塔筒塔顶挠度和弯曲倾角的几何关系式如下：

$y_1={\mathrm{\θ}}_1\·\frac{2l}{3}---\left(5\right)$

$y_2={\mathrm{\θ}}_2\·\frac{2l}{3}---\left(6\right)$

式中：y₁为风电塔筒塔顶X方向挠度，m；

y₂为风电塔筒塔顶Y方向挠度，m；

l为风电塔筒高度/m；

风电塔筒位于平衡位置处的塔顶挠度y_B的计算公式如下：

$y_B=\sqrt{y_1^2+y_2^2}---\left(12\right)$

将晃动平衡位置转化为风电塔筒最大应力点处的平均应力σ_m，其计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_m=-y_B\·\frac{3\mathrm{EI}}{W_z{l}^2}---\left(13\right)$

式中：E为材料弹性模量，Pa；

I为截面惯性矩，m⁴；

将晃动幅度转化为风电塔筒最大应力点处的应力幅，其计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_a=-y_A\·\frac{3\mathrm{EI}}{W_z{l}^2}---\left(14\right)$

至此，就建立了风电塔筒最大应力与塔顶晃动位移的关系，通过监测塔筒的晃动来进行塔筒结构应力监测。