风力机叶片摆锤共振疲劳加载系统及控制研究

分析疲劳加载过程中摆锤受叶片振动影响的运动规律,利用能量法进行系统动力参数匹配计算,设计一套摆锤共振型大型风力机叶片疲劳加载系统。利用激光测距传感器获取加载点振幅为控制参数,以振幅偏差为偏差变化率输入,加载频率为输出建立模糊控制系统,控制器对振幅变化数据进行采集、存储与分析,并搜索跟踪共振频率,驱动变频电机实现叶片等幅稳定振动。现场试验结果表明,叶片加载载荷更均匀,控制过程稳定可靠,共振时叶片加载点振幅误差保持在±5%之内,为风力机叶片疲劳加载提供了理论基础与试验依据。     

风力机叶片电磁脉冲式疲劳加载系统及试验研究

分析疲劳试验过程中叶片加载的运动规律,利用能量法对能量耗散进行计算及动力参数匹配,设计一套叶片电磁脉冲式疲劳加载系统。采用短时能量补充加载,瞬时最小势能原理导出叶片在时变载荷作用下的多自由度运动方程,建立仿真模型并对脉冲激励叶片响应数值进行仿真。利用激光测距传感器获取加载点振幅为控制参数,控制器基于SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)脉冲控制方式,搜索跟踪共振频率,实现叶片等幅稳定振动。现场试验表明,叶片脉冲加载载荷均匀,控制过程稳定可靠,共振时叶片加载点振幅误差保持在±5%之内,试验效率及系统寿命得到提高,可为风力机叶片疲劳实验提供一种新的加载方式。     

风力机叶片双锤作动疲劳加载系统及试验研究

设计一套双作动器共振型风力机叶片疲劳加载系统,对系统能量耗散计算及动力参数匹配,基于多级网络模式制定共振疲劳加载控制策略。对同步控制策略与算法进行研究,确立虚拟主令点动控制方式,采用配重块优化叶片展向弯矩分布误差,以振幅偏差及加载频率为输入输出建立控制系统,控制器基于控制同步方式驱动伺服电机,搜索跟踪共振频率,对振动参数数据采集、存储与分析,实现叶片等幅稳定振动。现场试验结果表明,系统控制同步有效,共振频率搜索与跟踪效果较好,共振时叶片振幅误差保持在5%之内,刚度无明显变化,试验精度与效率得到提高,可为风力机叶片疲劳加载的工程应用提供理论与试验参考。     

单点疲劳载荷作用下的风电叶片振动特性研究

设计一套风电叶片单点疲劳加载系统,基于拉格朗日方程推导出单点疲劳载荷作用下的风电叶片振动数学模型,得到影响叶片振动特性的一系列因素。以一阶固有频率为0.92 Hz的风电叶片为被控对象,利用Matlab/Simulink软件建立仿真模型,得到不同加载频率下风电叶片的振动特性。当加载频率为0.80、0.85 Hz时,加载点振幅均小于300 mm;当加载频率增大到0.95 Hz时,振幅达到较大值,约为400 mm,近似发生共振,能满足疲劳试验要求;当加载频率继续增大到1.00 Hz和1.20 Hz时,振幅反而衰减到220 mm和100 mm。最后进行单点疲劳加载试验,得出试验结果和仿真结果规律基本吻合,验证了数学模型和仿真模型的准确性。     

大型风机叶片疲劳加载模式的能耗分析

设计了两套风机叶片疲劳加载试验方案:液压缸强迫加载模式和偏心质量块共振加载模式,并给出了两种模式下的能量耗散方程。采用多级载荷加载试验获得沿叶片展向的挠度分布情况和加载点刚度值,通过叶片的自由衰减试验获得阻尼比值。最后对aeroblade1.5-40.3风机叶片进行1个振动周期的能耗计算,得出在相同振幅下,共振加载模式的能耗小于强迫加载模式能耗的1/3。研究结果为后续的风机叶片疲劳加载试验打下基础。     

全尺寸风电叶片疲劳加载载荷匹配及试验研究

为疲劳加载试验时沿叶片展向满足实际工作时的弯矩分布,对全尺寸风电叶片共振型疲劳加载系统进行载荷匹配与试验。分析叶片共振式疲劳试验中弯矩分布,采用参数分段离散法沿叶片展向离散出质量与长度矩阵,推导叶片弯矩数值计算方法,建立弯矩匹配优化数学模型,编制弯矩分布校验算法,利用Matlab/Simulink建立仿真模型并对匹配优化进行数值仿真,并校验配重块的质量和数量,得到沿叶片展向的弯矩分布误差小于7%。试验结果表明,疲劳试验过程中叶片加载点的振幅稳定,叶片根部弯矩误差不超过±5%,满足疲劳加载试验的弯矩分布精度要求,试验精度与检测效率得到提高,缩短疲劳试验周期,为风电叶片检测与分析提供一种的实用手段。     

风力机叶片两点激励疲劳试验系统设计与特性分析

基于电驱惯性式激振装置,采用能量法计算能耗及动力参数,匹配叶片试验弯矩载荷,设计出一种两点激励共振型风力机叶片疲劳试验系统。建立两点激励加载试验系统的动力学模型,并结合三相永磁同步电机的在d-q坐标系下的状态方程,联合构建系统的机电耦合方程,利用Matlab软件建立仿真模型进行数值仿真分析,得到系统耦合振动过程基本规律。构建两点激振惯性加载系统进行兆瓦级风力机叶片加载试验,验证数学模型及仿真分析的结果,为叶片疲劳试验系统及控制算法设计提供指导。     

风电叶片两点并激疲劳加载系统协同控制研究

研发一种新型风电叶片电驱动两点并激惯性疲劳试验系统。为了消除风电叶片两激振器加载过程中耦合效应,提出虚拟主令耦合同步控制策略,以滑模变结构控制算法设计误差补偿器,利用李雅普诺夫函数证明算法稳定性,然后建立控制仿真模型,数值仿真分析该算法收敛性及鲁棒性。风电叶片两点激振现场试验结果表明,控制算法能使两激振器快速跟随,并激加载能较好地维持同步状态,两激振器的相位差的波动很小,其值约±2°,叶片振幅稳定,实现了风电叶片的平稳有效加载。     

风电叶片疲劳试验载荷确定方法研究

文章以1.0MW风电叶片(DF64A)为例,研究了在单点单轴恒幅值加载方式下,疲劳试验的疲劳载荷计算方法。根据Bladed软件仿真得出的叶片在风场的疲劳载荷谱(Markov矩阵),利用疲劳损伤理论分析方法及有限元软件研究分析了叶片疲劳试验载荷设计点的位置;最终确定了疲劳载荷设计点在单轴疲劳载荷My作用下的疲劳损伤值;并给出了单点恒幅值加载方式下,该位置的静态载荷参数和动态加载载荷。最终确定出试验方案。     

风电叶片双向惯性式疲劳加载系统及控制研究

设计一种电驱动双向惯性式风电叶片疲劳加载系统,基于能量法对系统动力参数匹配及优化计算。在考虑机电耦合影响基础上,提出基于虚拟主令相邻偏差耦合同步疲劳加载控制策略,并对算法的稳定收敛性进行分析,利用Matlab进行试验验证。现场试验结果表明系统控制效果较好,通过控制可消除机电耦合作用带来的固有相位差,并能较好的维持同步状态,叶片振幅误差保持在5%之内,试验精度与效率得到提高,为风电叶片检测与分析提供一种的实用手段。     

风电叶片全尺寸静力加载试验钢丝绳空间角度精确测量研究

为减少加载过程中叶片挠度变形带来的测量误差，提出一种精准测量钢丝绳与风电叶片空间角度的数学模型。该模型构建的空间角度测量系统采用3个位移传感器，可实时测量钢丝绳与风电叶片所成三维角度，从而精确地对各加载点进行受力补偿，提高加载试验的协同性。以激光追踪仪的测量结果为基准对该系统的测量结果进行现场验证，结果表明该系统所测空间角度误差率仅为1.78%、1.96%和1.92%，同时经该空间角度测量系统补偿后的加载力曲线变化平稳，可较好地实现多节点力的协同加载。     

风电叶片疲劳加载试验电磁激振特性研究

提出一种基于电磁力驱动的风电叶片疲劳加载新方法。为进一步得到电磁机构参数对激振力特性的影响规律,首先,以螺线管式电磁铁为加载装置,采用解析法构建电磁疲劳加载系统数学模型;其次,设计多阶段电磁激振力并通过能量守恒定律得到电磁力与叶片振幅和频率的关系;最后,利用ANSYS Maxwell软件建立磁场仿真模型,验证电磁激振力设计的合理性,并分析电磁铁结构参数对加载力及速度的影响,得出在给定的叶片规格下满足测试要求的电磁机构的线圈匝数、形状参数、铁心长度、铁心外径的优选范围,可为后续电磁式疲劳加载试验台的开发奠定理论基础。     

基于性能退化数据的风力机叶片疲劳可靠性评估

为了在试验阶段对风力机叶片的疲劳可靠性进行评估,基于某型号风力机叶片全尺寸疲劳试验数据,考虑性能退化过程的随机性和单调性,选用严格单调的逆高斯过程描述叶片的疲劳性能退化轨迹。并根据性能退化理论,建立风力机叶片的逆高斯过程退化模型。利用极大似然估计方法对性能退化模型中的参数进行估计,并根据建立的性能退化模型的可靠度评估方法对叶片的疲劳可靠性进行评估,可实现风力机叶片在无失效寿命数据情况下的疲劳可靠性分析。     

风电叶片双作动器疲劳加载同步激振算法研究

针对双作动器驱动的风电叶片疲劳加载系统中两作动器同步控制问题,提出一种基于自抗扰控制算法的交差耦合同步控制策略;根据双作动器同步系统中同步误差与跟踪误差的控制要求,建立交叉耦合控制系统模型;进一步从安排过渡过程、跟踪估计系统状态和扰动、误差反馈及扰动补偿方面出发,利用最优控制综合函数设计一套自抗扰控制器;最后搭建一套风电叶片双作动器疲劳加载试验系统。试验结果表明,基于自抗扰控制算法的交叉耦合控制策略应用于双作动器疲劳加载系统能较好地保证作动器的速度同步性和位移同步性,受风载影响较小,系统鲁棒性强。     

风力机叶片裂纹扩展预测与疲劳损伤评价

针对风力机叶片疲劳损伤过程难以定量评价的问题,提出一种基于裂纹扩展AE信号分形特征的疲劳损伤模糊评价方法。首先用修正系数μ改进关联维数的计算式,确定32组试样所适合的修正系数和最佳嵌入维数,然后在裂纹扩展试验中将AE信号的关联维数与加载条件、裂纹结构参数等共同组成评价疲劳损伤的影响因素集合,从试样数据中在集合近似的条件下求得权重集合,最后对某风场1.5 MW的风力机叶片进行评价,为探索风力机叶片疲劳损伤状态和裂纹扩展之间的内在规律提供了一条新思路。     

风力机叶片动力特性实验台设计

设计开发了一种风力机叶片动力学特性实验台,可以进行风力机叶片的静载荷实验、模态测试、叶片损伤测试、模拟桨叶结冰附着物载荷实验、桨叶疲劳载荷实验以及破坏性实验等。介绍了实验台的设备组成、结构特点以及该实验台的主要功能,在实验台上进行了风力机叶片的静态载荷实验和模态测试,得出了实验用风力机叶片的六阶模态参数,利用MAC、MOV两种模态判定准则对试验结果进行了验证。     

风电叶片双轴疲劳加载系统同步控制研究

为解决风电叶片双轴疲劳测试中加载不同步问题,文章在摆锤离心共振式加载方式的基础上设计了相位同步控制系统。采用基于BP神经网络的同步控制策略,利用扫频法确定叶片各轴共振频率,为提高激振源的同步效果,采用交叉耦合结构,开发相位同步补偿算法确定控制器向双轴电机发送的补偿脉冲信号。以56.4 m兆瓦级风电叶片的相关参数作为试验数据建立Simulink仿真模型,进行相位同步控制系统与传统PID自动控制系统对比仿真实验。仿真结果显示:当加载到120 s时,双轴电机的转速误差在5%以下,相位误差在±0.05范围内,达到风电叶片双轴离心共振加载要求;与传统PID控制策略相比,达到稳态的时间缩短了50%左右,相位同步控制效果提高了20%。     

风力机叶片静力测试与分析

利用风力机叶片动力特性实验台测试了风力机叶片在载荷作用下的形变特性,通过改变加载力的大小和加载位置进行多组实验,计算各个截面的弯矩;通过实验和有限元静力分析找出了风力机叶片主要承力部件,对风力机叶片的设计和制造提供了参考依据,对提高风力机的总体性能和优化设计具有重要意义。     

风电叶片全尺寸静力试验加载力协调控制算法

为了消除风电叶片全尺寸静力试验过程中加载力耦合效应,首先搭建一套多节点静力加载试验系统,通过现场试验得到加载力之间的耦合规律。在此基础上采用动态主令方法确定最慢加载节点,以加载力误差及其变化率作为输入变量,以电机转速作为输出控制变量,设计模糊协调控制算法,最后以aeroblade2.0-48.8风电叶片最小面向(min flapwise)为被控对象进行加载试验。试验结果表明,该协调控制算法能保证4个节点的加载力始终保持均匀变化,整个加载过程的控制误差分别小于±3、±3、±4、±4 kN,且在100%阶段时,加载力均能较好地保持在设定值,可验证该控制算法应用于风电叶片全尺寸静力加载试验的可行性。     

偏航工况下水平轴风力机叶片气动变形数值模拟研究

以非定常叶素动量方法和水平轴风力机结构动力学为基础,建立风力机气弹计算的仿真程序,将偏航模型耦合进气弹程序中,针对某5 MW水平轴风力机进行仿真计算,分析比较了该风力机在不同偏航角工况下叶片变形沿径向和周向的分布情况,总结了不同偏航工况对风力机叶片变形的影响规律。研究结果对风力机叶片设计和疲劳寿命的预测有一定的指导意义。