基于边界元法局部精细化建模的风力机叶片裂纹振动响应识别方法

Blade cracks have great influence on the safety and operation life of wind turbine. In practice, the failure data of the blades are difficult to be obtained, and the experimental test is expensive. Accurate dynamic simulation can be used to obtain the response data of the cracked blade, and identify and locate the cracks quickly and effectively. As for the dynamic response of the cracked blade, the finite element model needs massive elements to ensure the analysis accuracy. The boundary element method is applied to establish the local precise model of the cracked blade in this proposal. The discretization method is developed by using the parameter space, and the singular integral is based on the non-linear transformation. The fast solution procedure based on the hierarchical matrices for the representation of the coefficient matrix is also investigated. Therefore, the accurate vibration response of the cracked blade is obtained by fast boundary element method. Furthermore, the relationship between the vibration response and the position and the size of the cracks can be established, and the crack identification method is advanced by applying the transmissibility of the frequency response function. The research can provide theoretical foundations and technical supports for the condition monitoring of wind turbine blades.

叶片裂纹直接影响风力机的安全运行和服役寿命。由于在役运行叶片故障监测数据难以获取，大型叶片模拟实验成本昂贵，精确的动力学仿真分析是获得裂纹叶片振动响应数据的有效手段，从而实现快速有效地识别叶片裂纹。针对叶片裂纹振动响应问题，传统有限元法存在计算精度与计算效率的矛盾，项目拟采用边界元法对裂纹叶片进行局部精细化建模，重点研究基于参数空间的网格离散方法、基于非线性变换的奇异积分计算方法、以及基于分级矩阵的快速算法，确保裂纹局部几何特征不丢失，快速、精确地求解裂纹叶片的动力学响应，揭示裂纹位置、尺寸与叶片振动响应特性的映射关系，提出基于频率响应函数传递性的叶片裂纹识别方法。项目研究可为风力机叶片的状态监测提供理论依据和技术支撑。

叶片裂纹直接影响风力机的安全运行和服役寿命。由于在役运行叶片故障监测数据难以获取，大型叶片模拟实验成本昂贵，叶片动力学模型是分析裂纹对叶片动力学特性影响规律的有效手段，并基于此研究叶片裂纹识别方法。本项目完成了如下研究内容：1)建立了裂纹叶片动力学模型，通过植入不同位置、不同程度的横向开口裂纹，分析了裂纹位置、程度两个参数对悬臂状态下叶片固有频率特性的影响规律，提出了裂纹位置参数，建立了裂纹位置参数数据库，得到了裂纹所属区间以及区间内位置与裂纹参数间的映射关系，最终提出了精确的单裂纹定位方法；2)提出了裂纹程度参数，基于仿真分析得到了裂纹程度与该参数间的映射关系，建立了包含裂纹位置参数的裂纹损伤程度函数模型，并基于此提出了叶片裂纹损伤程度识别方法；3)针对叶片同时包含多裂纹的问题，提出了灵敏度方阵法和归零逆求法，结合单元细分法，提出了叶片多裂纹的诊断方法，实现了叶片多裂纹的位置与程度识别；4)搭建了悬臂状态下的风力机叶片动力学测试平台，通过植入开口裂纹，基于振动测试与裂纹识别方法的应用，验证了所提出的裂纹识别方法的有效性；5)基于机器视觉的风力机叶片振动测试方法，针对风力机叶片实际工况中振动测试问题，提出了一种基于多摄像头的叶片振动测量方法，重点改进了摄像机成像畸变模型和多摄像机全局标定方法，实现了叶片的振型及固有频率测量。6)针对边界元法仿真分析中出现的域积分，提出了改进的三重互易法，将边界积分方程中的域积分转化为边界积分，减低了最终得到的线性代数方程的维度，并提高了三重互易法的计算效率、精度与稳定性。上述研究既为基于边界元法的叶片动力学建模提供了降维方法，也为风力机叶片及其他梁结构的裂纹或损伤识别提供了方法，具有重要的理论意义和一定工程应用价值，结合新颖的振动测试手段、传统的振动信号处理方法以及机器学习算法，本项目提出的基于振动参数的裂纹或损伤识别方法具有较大的工程应用前景。