风电叶片静力加载控制系统设计及验证

风电叶片静力加载过程中各个加载节点之间存在加载力耦合,导致加载不同步。因此,对多节点静力加载控制系统进行了深入研究。控制方案采用PC-主控制器-从控制器-检测装置的网络构架模式,通过Delphi进行数据采集及现场监控;为使5个加载节点同步加载,增强系统的抗干扰性,首次将动态矩阵控制(DMC)应用于风电叶片静力加载过程,达到较为精确解耦的目的。最后,将设计的控制系统应用于Aeroblade62-6.0型风电叶片的静力试验,结果表明,该系统控制效果良好,可以满足静力加载试验的要求。     

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。     

基于惯性网络的兆瓦级风电叶片形变测量算法研究

针对目前风电叶片形变过程中挠曲度测量误差较大的问题,提出一种基于惯性网络的相对运动监测算法。首先根据应力分析对叶片建立主从式惯性网络,然后推导出主子节点间的相对运动解算方法并建立相对导航误差模型,设计相对导航误差估计滤波器,通过误差反馈保证子节点的位姿解算精度;其次构建联邦式的相对惯性导航误差估计滤波器进行主子节点的数据融合,提高风电叶片的形变估计精度及系统整体的容错性;最后对某型风电叶片进行静力加载试验,试验结果表明：该算法可准确测量出叶片上各节点在三维空间的位移曲线,3个子节点在挥舞方向的平均相对误差仅为0.92%、1.18%、1.07%。该算法可实时监测风电叶片的位姿状态,在叶片检测及风力机日常运行的安全监测上具有较好的理论研究意义与工程应用价值。     

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。     

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。     

某MW级风机叶片静力试验的有限元模拟分析

通过有限元方法对某MW级风机叶片的静力试验工况进行了模拟分析,计算了叶片的模态以及在静力试验载荷下的位移、应变。计算结果与全尺寸叶片静力试验结果较好吻合,验证了该分析方法的可靠性,可应用于风电叶片的结构校核和新叶片开发设计。     

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中叶根螺栓载荷超声监测试验研究

文章采用有限元分析、应变片测试、超声轴力测试等方法对某风电叶片叶根螺栓组在不同工况下的载荷分布进行了试验研究。研究结果表明:有限元计算模型较为理想化,无法考虑安装时的对中误差、垂直度误差以及中心面偏移等带来的附加载荷对螺栓强度的影响;运用基于声弹性原理的螺栓轴向力超声在线监测技术,对叶片静力加载试验中的叶根螺栓组载荷进行实时监测,可以为叶片根端连接的强度计算和设计优化提供指导,也为风力发电机叶片螺栓载荷的在线监测奠定了基础。     

风电叶片子部件测试平台构建及拉挤板材力学特性研究

为探究风电叶片强度测试体系与拉挤板材力学行为,首先提出一种用于风电叶片金字塔结构测试技术,提出子部件试验新概念;其次进行子部件测试平台机械结构、液压系统及控制方案的设计,并利用有限元分析进行验证;最后基于所设计测试平台对子部件,即拉挤板材进行静力试验。结果表明：风电叶片金字塔结构的测试方案准确可行;部件试验设备最大应力发生在加载支架后梁,最大应力为242.5 MPa,最大位移为1.049 mm,未超其结构应力应变极限;拉挤板材破坏载荷为800 kN,失效变形形态包括弹性、屈服和断裂3个阶段,有限元分析数据与试验结果吻合较好,最终结果可为全尺寸叶片测试局部失效状况提供数据参考。     

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。     

静力载荷作用下的风电叶片空间轨迹精确测量模型

采用几何变换方法推导简单、精准的三维空间轨迹跟随模型,能同时测量3个方向的精确挠度变化,并开发数据测量系统。以aeroblade2.5-59.5风电叶片为例进行静力加载试验,采用该测量系统和激光跟踪仪同时对叶尖进行轨迹测量。试验结果表明该系统能很好地跟随叶片尖部的空间变化轨迹,测试结果准确,3个方向的最大误差率仅为0.98%、1.00%和0.88%,具有很广阔的工程应用前景。     

兆瓦级风力机叶片疲劳加载系统及其自适应扫频控制

设计一套偏心质量快驱动的兆瓦级风力机叶片疲劳加载试验系统,整个加载系统采用多级网络互联模式。由于疲劳试验周期较长,导致加载点刚度变化,引起叶片振幅衰减。针对该问题,通过激光测距仪获取加载点振幅作为控制指标,并以振幅变化及其变化趋势作为输入,加载频率作为输出,建立模糊扫频控制系统,变频电机驱动叶片实现等幅振动。试验结果表明该加载系统结构可靠、自动控制过程稳定,自适应扫频控制器能有效维持风力机叶片的幅值误差小于5 mm,满足试验要求。     

测试技术在风电叶片静力试验的应用

介绍了长距离应变和加载载荷测试技术在风电叶片静力试验中的应用,总结了影响测试精度的因素,并提出了解决措施。     

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。     

复合材料风力机叶片流固耦合分析方法研究

以某2 MW复合材料风力机叶片为研究对象,基于计算流体力学(CFD)和有限元法(FEM)开展风力机叶片气动力性能的流固耦合分析方法研究,重点探讨风力机叶片气动力外载荷与结构变形位移的流固耦合交界面的数据传递问题。采用RANS方程和SST k-ω湍流模型对旋转叶片周围的流场进行数值模拟,获取的叶片表面分布压力载荷通过自编的自动加载程序完整精确地传递到有限元网格节点上进行静力分析,实现流体域到固体域的数据传递。同时,根据静力分析后输出的风力机叶片表面节点变形量,建立变形后新几何体的建模方法,从而实现固体域到流体域的数据传递。     

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。     

风电叶片螺栓套疲劳试验机跟随控制策略研究

为解决风电叶片螺栓套疲劳试验过程中实际载荷与期望载荷的跟随控制问题,设计一种风电叶片螺栓套疲劳试验机并对期望载荷与实际载荷间的跟随控制策略进行研究。采用基于最小均方(LMS)的谐波消除和幅值控制策略,通过LMS算法的权值调整机制,解决实际载荷的量测噪声和幅值衰减现象。通过Matlab/Simulink,建立试验机模型,对算法的有效性进行验证;搭建试验机平台,通过现场疲劳试验对跟随效果进行研究。结果表明,在基于LMS的跟随控制策略下,螺栓套期望载荷与实际载荷的跟随效果良好,载荷误差不超过±5 k N,为风电叶片螺栓套疲劳特性的研究与应用提供可能。     

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。