一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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】】
[0001] 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】】
[0002] 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。
[0003] 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】
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[0004] 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。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
[0006] -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。
[0007] 本发明进一步改进在于，具体包括以下步骤：
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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：
[0016] S(t) = / [ / a(t)dt]dt (1)
[0017] 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 ;
[0018] t为风电塔筒围绕平衡位置晃动的采样时间，s ;
[0019] 其中，风电塔筒的晃动幅度7&取晃动位移S(t)的最大值。
[0020] 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0 1和风电塔筒塔顶Y方向倾角θ2，其计算公式分别如下：
【权利要求】
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 ·f; 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yA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Θ i和风电塔 筒塔顶Y方向倾角Θ 2，其计算公式分别如下： (2) (3)
式中：ax、ay、az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 · ; 且有，
(4) 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：
(5) (6) 式中：y: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 ; 1为风电塔筒高度/m; 风电塔筒位于平衡位置处的塔顶挠度yB的计算公式如下：
(12) 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σπ，其计算公式如下：
(13) 式中：Ε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：
(14) 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。
【文档编号】G01P15/08GK104122013SQ201410335944
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】侯成刚, 杜杰 申请人:西安交通大学