[發明專利]一種針對大型風電塔筒結構應力的在線監測方法

有效

• 申請號: 201410335944.4
• 申請日: 2014-07-15
• 公開（公告）號: CN104122013A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發明（設計）人: 侯成剛;杜杰
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01L1/08
• 分類號: G01L1/08;G01P15/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

1.一種針對大型風電塔筒結構應力的在線監測方法，其特征在于，該方法通過建立風電塔筒晃動與結構應力之間的關系，通過監測塔筒的晃動來進行塔筒結構應力監測。

2.根據權利要求1所述的一種針對大型風電塔筒結構應力的在線監測方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

1)采用安裝于風電塔筒機艙的電容式三軸MEMS加速度傳感器實時同步采集塔筒的結構振動加速度信號；

2)對步驟1)采集的結構振動加速度信號進行處理，分別提取其中的重力加速度分量和運動加速度分量；

3)對步驟2)中所提取的重力加速度分量，根據三軸MEMS加速度傳感器傾斜測量原理計算得到風電塔筒頂部傾角，再由風電塔筒頂部傾角與其撓度幾何關系，得到風電塔筒晃動的平衡位置；對步驟2)中所提取的運動加速度分量，經過二次積分，得到風電塔筒晃動的幅度；

4)根據風電塔筒最大應力與風電塔筒晃動的平衡位置及幅度的關系，將晃動平衡位置轉化為風電塔筒最大應力點處的平均應力，晃動幅度轉化為風電塔筒最大應力點處的應力幅，進而表征風電塔筒晃動過程中的交變應力，實現風電塔筒結構的在線應力監測。

3.根據權利要求2所述的一種針對大型風電塔筒結構應力的在線監測方法，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電塔筒圍繞平衡位置晃動的運動加速度信號。

4.根據權利要求2所述的一種針對大型風電塔筒結構應力的在線監測方法，其特征在于：風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，再根據風電塔筒頂部撓度與彎曲傾角之間的幾何關系確定晃動平衡位置；對于運動加速度，經過二次積分，得到風電塔筒的晃動幅度；其中，風電塔筒晃動平衡位置反映平均應力，圍繞平衡位置的晃動幅度反映應力幅，根據平均應力和應力幅表征結構的交變應力。

5.根據權利要求4所述的一種針對大型風電塔筒結構應力的在線監測方法，其特征在于：風電塔筒晃動平衡位置和晃動幅度反映交變應力的這一關系是將風電塔筒簡化為懸臂梁之后，根據懸臂梁最大撓度以及彎曲應力計算公式得出的。

6.根據權利要求4所述的一種針對大型風電塔筒結構應力的在線監測方法，其特征在于：風電塔筒的晃動位移S(t)的計算公式如下：

S(t)＝∫[∫a(t)dt]dt??(1)

式中：a為風電塔筒圍繞平衡位置晃動的運動加速度，m·s^-2；

t為風電塔筒圍繞平衡位置晃動的采樣時間，s；

其中，風電塔筒的晃動幅度y_A取晃動位移S(t)的最大值。

7.根據權利要求4所述的一種針對大型風電塔筒結構應力的在線監測方法，其特征在于：風電塔筒晃動處于平衡位置時的彎曲傾角包括風電塔筒塔頂X方向傾角θ₁和風電塔筒塔頂Y方向傾角θ₂，其計算公式分別如下：

θ1=arctanaxay2+az2---(2)]]>

θ2=arctanayax2+az2---(3)]]>

式中：a_x、a_y、a_z分別為風電塔筒坐標系的X、Y、Z三個方向的重力加速度分量，m·s^-2；且有，

ax2+ay2+az2=g---(4)]]>

其中：g為重力加速度，m·s^-2；

風電塔筒塔頂撓度和彎曲傾角的幾何關系式如下：

y1=θ1·2l3---(5)]]>

y2=θ2·2l3---(6)]]>

式中：y₁為風電塔筒塔頂X方向撓度，m；

y₂為風電塔筒塔頂Y方向撓度，m；

l為風電塔筒高度/m；

風電塔筒位于平衡位置處的塔頂撓度y_B的計算公式如下：

yB=y12+y22---(12)]]>

將晃動平衡位置轉化為風電塔筒最大應力點處的平均應力σ_m，其計算公式如下：

σm=-yB·3EIWzl2---(13)]]>

式中：E為材料彈性模量，Pa；

I為截面慣性矩，m⁴；

將晃動幅度轉化為風電塔筒最大應力點處的應力幅，其計算公式如下：

σa=-yA·3EIWzl2---(14)]]>

至此，就建立了風電塔筒最大應力與塔頂晃動位移的關系，通過監測塔筒的晃動來進行塔筒結構應力監測。