风电叶片模态参数的模拟识别与试验验证

2018-09-21冯忠彬

现代工业经济和信息化 2018年11期

任建，冯忠彬

（山东省黄河计量研究院, 山东济南 250100）

引言

风电叶片的发展趋势必然是大型化和海洋化，为了风电机组的安全可靠运行，避免共振现象发生，根据IEC61400-23标准，对风电叶片进行模态参数识别是全尺寸结构测试中一项关键内容。识别叶片的低阶（一阶、二阶）固有频率，不仅可以错开风电机组的激振频率，保证风力机组安全运行，而且在叶片的气动结构设计中也至关重要。模态分析作为研究结构件动态响应的技术手段，可分为计算模态和试验模态，计算模态对数学模型的准确性要求较高，而后者则对仪器设备要求很高[1]。

本文将数值模拟和模态试验方法有机结合，对某型aeroblade1.5-51.2风电叶片摆振方向以离散化悬臂梁形式作等效简化，进行了数值模拟。最后采用力锤激振法，在某大型风电叶片测试平台上对模态参数识别进行了试验验证。

1 风电叶片模态参数数值模拟

1.1 计算模型

对风电叶片自振频率进行数值计算时，将叶片等效为悬臂梁，如图1所示。

图1 中，O为转轴，LR为叶根到转轴的距离，LB为叶片长度，h和b分别为叶片的厚度和宽度。以有限元理论为基础，将叶片沿展向离散为n段，叶片振动可等效为有限自由度体系振动。

根据达朗贝尔原理，无阻尼自由度体系的自由振动方程表示为：

无阻尼自由振动可认为简谐振动，其自振频率表达式为：

式中M为质量矩阵；ω为自振频率；K为自身刚度矩阵。

式（2）可等效为：

根据上式即可得出叶片的各阶固有频率及其振型。

1.2 计算算例

以某型号叶片（功率1.5 MW，长度51.2 m）摆振方向为例进行数值计算。根据叶片设计方提供的数据，该款叶片沿展向分成31段，其部分特征参数（长度、线密度、弹性模量等）如下页表1所示。

以理论计算模型和表1的参数为基础，在Ansys软件中采用有限元网格图，单元数划为174 390个，在低阶频率及前4阶振型进行模拟。

2 模态测试试验

2.1 摆振模态测试布点方案

对叶片摆振方向进行模态测试时，沿着叶片摆阵方向布置13个水平测点，测点的具体位置如图2所示。其中测点1距离叶片端部为7.2 m，剩余44 m均分为12等分，即13个测点，每等份约3.67 m。激励点在测点8位置，方向为z向(垂直方向)，方案如表2所示。

表1 叶片参数表

图2 测点布置图

表2 测试方案

2.2 试验验证

叶片根部通过几十个高强度螺栓固定在筒型支座上，按照上述测试方案布置好传感器，固定好所有的仪器、仪表。

模态测试试验中所用到的仪器明细如表3所示。

表3 测试仪器

2.3 测试结果

为了更好地激起叶片的低频振动信号，摆振方向的模态测试采用橡胶锤头进行锤击[2]。力锤在测点8的垂直方向敲击3次，力锤信号采样频率为2 560 Hz，加速度响应信号为40 Hz，即变时倍数选为64，每次采集4 096个样本点，分析频率为20 Hz，2 048条谱线，频率的分辨率为0.009 77 Hz。每个测点取3次数据进行平均。

从时域波形得出，力信号幅值约为4 000 N，有效频谱大概在0～400 Hz，力谱在0～20 Hz范围内比较平坦且光滑，衰减值仅为0.76 dB，说明力信号能量主要集中在低频段，能很好地将叶片激振起来。

各通道摆振加速度振动信号频率响应特性一致性较好，说明所采集信号真实、可信。

激振试验得到了叶片摆振方向的前4阶模态，测试结果如表4所示。