[发明专利]一种基于模态叠加法的风电机组塔架应力状态计算方法

说明书

本发明涉及一种基于模态叠加法的风电机组塔架应力状态计算方法，首先建立塔架的有限元模型，然后通过有限元法计算得到塔架的截断模态矩阵并根据监点处的实时振动值计算得到塔架的振动主坐标，最后通过模态叠加法计算得到塔架的实时应力状态；利用本方法可以根据塔架有限个振动测点的实时振动值快速计算得到整个塔筒及法兰螺栓的应力状态，具有计算精度高，计算速度快的特点，能满足实时在线计算的要求。

技术领域

本发明涉及一种基于模态叠加法的风电机组塔架应力状态计算方法，属于测量技术领域。

背景技术

风力发电具有经济效益好、清洁、无污染等优点，是目前最有前景的可再生能源之一。近年来，风电机组的技术进步降低了风力发电的成本，也推动了风电项目的快速发展。到目前为止，叶轮直径和塔高已经从几十米增加到120m以上，风电塔架为高柔性结构，工作条件恶劣，塔架除了支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动荷载，其运行状态将直接影响风力发电机组的性能。

通过有限元瞬态模拟是研究整个塔架在脉动风载荷和其他外界激励作用下应力状态分布及其变化规律的有效方法之一，然而该方法存在计算量大，计算效率低的问题；通过在塔架上布置应变传感器可以避免有限元瞬态模拟带来的计算效率低等问题，然而该方法仅能监测监点处的线应变及其对应的正应力状态，无法直接监测切应变及切应力状态；与此同时该方法也难以实现对整个塔架应力状态的实时监测与分析。

发明内容

本发明提供一种基于模态叠加法的风电机组塔架应力状态计算方法，可以提高计算精度及计算效率，同时能满足实时在线监测的需要。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于模态叠加法的风电机组塔架应力状态计算方法，包括以下步骤：

第一步：建立塔架有限元模型，在塔筒连接法兰处、塔筒与顶层机舱连接处设置振动监测点；

第二步：通过有限元法计算得到各振动监测点处归一化形变量表示的塔架前r阶截断模态矩阵

第三步：通过有限元法计算得到塔架的前r阶模态对应的应变模态并组成截断应变模态矩阵

第四步：通过塔架前r阶截断模态矩阵以及t时刻各振动监测点的振动状态量计算塔架振动状态的主坐标向量x_p(t)；

第五步：通过截断应变模态矩阵、振动主坐标向量计算获取塔筒以及法兰螺栓应力状态向量σ_X(t)；

作为本发明的进一步优选，第四步中，t时刻实时监测得到塔架各振动监测点处的振动状态向量x(t)由塔架前r阶截断模态矩阵与塔架振动状态的主坐标向量x_p(t)表示为由线性代数理论可得x_p(t)的最优解为

第五步中，根据模态叠加法可得整个塔架应变状态向量若塔架在振动过程中塔筒及螺栓未发生塑性变形，可认为整个塔筒及法兰螺栓的应力与应变满足线性关系，则塔筒及法兰螺栓的实时应力状态向量其中在计算正应力时k为弹性模量，在计算切应力时k为剪切模量；

作为本发明的进一步优选，物体中某一点的应力状态可用该点处任意一组相互垂直的三个平面上的应力来表示，即物体内某一点的应力状态为由于塔架的形变主要在水平方向，即塔架的应变主要发生在水平面上，因此上式可简化为σ_ij＝[σ_xτ_xy τ_xz]，其中，σ_x水平面上的正应力，τ_xy及τ_xz均为水平面的切应力，为计算方便，将两个方向的切应力矢量合成为水平面的合切应力，即简化处理后本发明计算的塔架各点处的应力状态为σ＝[σ_x τ_x]，其中，切应力状态