介、宏观双尺度下风电主传动系表面损伤的多场耦合演化机理研究

The structure and working conditions of large wind turbine are so complicated that the fault formation and development of central system, i.e. main transmission system, will be influenced by many factors. If the latent fault is not identified timely, the running status of whole turbine will be in danger. Based on the microscale deterioration principle and macroscale response feature analysis, the initiation, degradation and failure process of the transmission system will be studied in this foundation. Regarding the random wind load, wind shear and tower shadow effect etc., cantilever beam model will be utilized to analyze the dynamic features of blade and tower subsystem. The mesoscale representative volume element model, in which dynamic loading induced by exterior coupling vibration is embedded, will then be established to investigate the initiation and propagation behavior of microscale cracks. For the subsequent macroscale defects, linear elastic fracture mechanics theory is used to study the evolution process, and the lubrication mechanism being related to defect propagation will be considered. The bond graph model of the main transmission system, embedded with morphological features and excitation parameters of surface defect at different evolution stages, will be established to study the system response. With the multi-field analysis advantages of bond graph, the coupling effect between mechanical damage and electrical parameters will also be discussed. As a result, comprehensive technical support will be provided for tracking the fault degradation process based on the prospective achievements.

大型风电机组由于结构特殊、工况复杂，其中枢系统——主传动系内部故障的发生、发展受到诸多因素的影响，若内在隐患无法及时排除，机组的运行安全将面临严峻挑战。本项目分别从微观劣化机理和宏观响应特征入手，研究风电机组主传动系表面损伤的萌生、劣化与失效行为。考虑随机风载、风切变效应、塔影效应等因素，以悬臂梁模型研究叶轮和塔架结构的动力响应；建立介观尺度下的“代表体积单元（RVE）”模型，嵌入外部耦合振动引起的动载效应，研究显微裂纹的萌生与扩展行为；宏观尺度下的表面损伤，则采用线弹性断裂力学研究其动态演化过程，影响损伤扩展的润滑机制亦考虑其中；建立风力机主传动系统的矢量键合图模型，嵌入不同阶段表面损伤的形貌特征与激励参数，研究与故障演化相关联的系统动力学响应；利用键合图的多能域分析优势，本课题还将讨论传动系表面损伤与发电机电气参数之间的耦合效应，以期为大型风力发电机的故障劣化跟踪提供全面的技术支持。

为了提高风能的捕获效率，降低风力发电成本，风力机的发展日趋大型化，迎风面超过100米的风轮已成为市场主流。与之相伴，叶片和塔筒柔性增强，耦合振动愈发明显，结构的稳定性和可靠性问题越来越突出。本项目从介观、宏观两个角度完成动力学建模，研究风电主传动系的故障劣化机制，具有重要的理论意义和工程应用价值。具体内容如下：. (1)采用谱估计方法和组合风速法，建立了时变风速模型，研究了风力机传动系统载荷与风载之间的定量关系；建立了叶轮、塔筒、增速箱以及整机的动力学模型，研究了机组内部的耦合振动特性，评估了机组的运行稳定性；完成了高速级齿轮副的接触力学仿真，获得了介观尺度模型加载的边界条件。. (2) 建立了以Voronoi图表征的多晶粒模型，其中考虑了各晶粒之间的取向差异；引入零厚度的内聚力单元，建立了包含晶界的二维损伤仿真模型，并建立了“牵引力-张开位移”的晶界损伤判据；完成了介观模型的静、动力学仿真，评估了模型内部的裂纹敏感区；确定了疲劳参数及损伤演化速率的计算方法，研究了缺陷的萌生与演化行为，完成了风电高速级齿轮的预期寿命评估。. (3) 建立了风电增速箱的动力学仿真模型，重点考察了齿根裂纹与齿面剥落的劣化过程对系统的影响；基于改进能量法，建立了齿面啮合刚度的计算模型；根据齿轮的精度等级确定齿轮偏差，并与啮合刚度合成，获得了损伤齿轮系统内部的动态激励力；建立了齿面损伤程度-啮合刚度-啮合激励载荷之间的定量关系。. (4) 针对风电传动系统的核心部件——行星轮系，采用模态叠加法完成了不同损伤程度下的动力响应分析，并研究了不同部件（太阳轮、行星轮、内齿圈）损伤引起的响应差异；采用集中参数法建立了从叶轮到发电机的整机传动动力学模型，考虑时变风载和啮合刚度的双重激励作用，完成了风力机主传动系的耦合动力学仿真，获得了扭转和垂振的多物理场响应结果。. 本项目累计发表文章14篇，申请发明专利3项，培养硕士研究生7名。