一种针对大型风电塔筒结构应力的在线监测方法

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。

主权项

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；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；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；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；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：${\theta }_1=arctan\frac{a_x}{\sqrt{a_y^2+a_z^2}}---\left(2\right)$${\theta }_2=arctan\frac{a_y}{\sqrt{a_x^2+a_z^2}}---\left(3\right)$式中：a_x、a_y、a_z分别为风电塔筒坐标系的X、Y、Z三个方向的重力加速度分量，m·s^‑2；且有，$\sqrt{a_x^2+a_y^2+a_z^2}=g---\left(4\right)$其中：g为重力加速度，m·s^‑2；风电塔筒塔顶挠度和弯曲倾角的几何关系式如下：$y_1={\theta }_1·\frac{2l}{3}---\left(5\right)$$y_2={\theta }_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)$将晃动平衡位置转化为风电塔筒最大应力点处的平均应力σ_m，其计算公式如下：${\sigma }_m=-y_B·\frac{3EI}{W_z{l}^2}---\left(13\right)$式中：E为材料弹性模量，Pa；I为截面惯性矩，m⁴；将晃动幅度转化为风电塔筒最大应力点处的应力幅，其计算公式如下：${\sigma }_a=-y_A·\frac{3EI}{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。