基于实测数据的风力机塔筒结构动力特性分析及模型修正技术研究

摘  要 

当今全球各国对清洁能源的重视逐渐程度不断增加，以风能为主风电产业在全球范围内得到飞速发展。风力机作为将风能转化为电能的重要基础结构，其结构的动力特性和安全问题一直受到广泛关注。为了解风力机在不同环境下和不同工作状态下的结构特性，针对一台2.0MW风力机进行了长期监测。对风力机塔筒的振动响应与环境因素做了统计分析，研究了不同运行工况和不同环境作用下对风力机塔筒模态参数的影响。依据风力机结构的初始参数建立的有限元模型，以风力机实测数据为基础对模型进行修正，获得结构精准的有限元理论模型。本文主要研究内容如下： 

（1）针对风力机结构特点设计了一套风力机塔筒结构的健康监测系统，并对其进行了长期监测。对风力机各测点的振动响应进行了统计分析发现，环境风速位于3m/s和8m/s附近时，塔筒振动幅值的RMS值出现峰值。基于随机子空间模态参数识别方法，从空间状态维度、识别速度、识别精度和抗干扰能力上对Data-SSI、Comb-SSI和Cov-SSI三种识别方法进行了对比，结果表明，CovSSI综合效果最好，选择该方法进行模态参数识别。 

（2）结合风力机实际运行状态对风力机的运行工况进行了划分，详细讨论了风力机塔筒的前三阶频率和阻尼比在不同运行工况下的变化情况，发现风力机在启动状态时，结构的阻尼比下降，结构稳定性减弱；绘制了风力机X方向与Y方向的Campbell图，发现风力机叶片转速在3f (0.35Hz)接近塔筒基频，易引起结构共振，而且观察到风力机转速在7rpm时叶片转速跳跃现象，符合Sommerfeld效应共振前跳跃至共振后的非线性跳跃现象，解释了塔筒在风速为3m/s时振动幅值的RMS值出现峰值的现象，验证了风力机的共振。为风力机结构的设计和状态评估提供实测数据支撑和参考指标。 

（3）依据风力机结构的基本设计参数建立有限元理论模型，以风力机塔筒的实测模态参数为基准对其进行模态修正。通过敏感性计算有限元模型的设计参数对结构频率的相对敏感度，以其中敏感度较高的两个设计参数作为目标修正变量，通过目标函数和约束条件分析计算得到理想的目标模型。结果表明，修正后的风力机塔筒结构的有限元模型与实测数据模态参数误差微小，该模型可作为静动力分析和状态评估的基准模型。 

关键词：风力机塔筒；振动监测；模态参数识别；动力特性；模型修正 

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