風力機葉片振動分析的頻率分析

風力機葉片振動分析的頻率分析

隨著環(huán)保意識的增強，風力作為清潔能源和可支配能源的主要功能發(fā)揮著重要作用。風力發(fā)電作為風能的一種應用正受到世界各國的廣泛重視、并得到大力推廣及應用。葉片在工作中如何保證其安全運行是風力發(fā)電設備設計制造的關鍵。在風力機運轉過程中,葉片受到動載荷及各種隨機變化的載荷作用,由于旋轉部件的存在,在風力機運轉過程中存在著離心慣性力、空氣阻力及重力變化而引起的激振力作用,若激振力作用激起葉片共振時,葉片上的動應力急劇增大,會產生災難性破壞。大量資料表明風力機葉片常常先于整機或其他部件而破壞。因此,為了搞清其破壞原因,必須對其進行動態(tài)分析,確定各階頻率及振型及其與轉動參數之間的關系。頻響分析法作為模態(tài)分析中的核心問題,它的主要優(yōu)點是能以較少的自由度,全面而又相當精確地去描述一個復雜結構的振動特性,從而大大簡化問題的分析與計算。1基本理論1.1等效阻尼振動傳遞函數法設彈性體離散化為N個集中質量,考慮三維振動,離散系統(tǒng)具有n=3N個自由度。第i個質量的位移坐標向量為:{X}i={xi,yi,zi}T,i=1,2,…,N,則系統(tǒng)的廣義坐標向量是n維向量:{q}={x1,y1,z1,…,xn,yn,zn}T,考慮等效阻尼情形,系統(tǒng)三維振動運動方程為Mx¨+Cx˙+Kx=F(t)Μx¨+Cx˙+Κx=F(t)根據復模態(tài)理論,傳遞函數可表示為:H1p(s)=a0+a1s+?+a2N?2s2N?21+b1s+?+b2Ns2N=N(s)D(s)=∑i=1N(A1piS?Si+A?1piS?S?i)A?1pi=φ?1iφ?pim?ii(S?1?Si)(i=1,2,?,N)Η1p(s)=a0+a1s+?+a2Ν-2s2Ν-21+b1s+?+b2Νs2Ν=Ν(s)D(s)=∑i=1Ν(A1piS-Si+A1pi*S-Si*)A1pi*=φ1i*φpi*mii*(S1*-Si)(i=1,2,?,Ν)以上是參數識別的基本公式。式中,H1p(s)表示P點激振,L點響應的傳遞函數。A*1pi為H1p(s)在極點Si的留數。1.2模態(tài)參數識別傳遞函數的極點,即D(s)=0的根si為復頻率。由以上公式得:A*1pi=D(s)/D′(s)=φ1iφpi/[mii(S-S*i)]于是得模態(tài)參數識別的計算公式:Si=-ni+jωd,S*i=-ni-jωdi;ωi=n2i+ω2di???????√?ξi=ni/ωiωi=ni2+ωdi2?ξi=ni/ωi;φ1pi=φppiA1pi/Appi;mii=(2jAppi?ωi1?ξ2i?????√)?1mii=(2jAppi-ωi1-ξi2)-1;Kii=miiω2ii2,Cii=2miini以上可見,參數識別首先要確定系統(tǒng)的ai,bi。因此,選用頻響函數曲線擬合法。2檢測頻率及擬合分析按照上述理論,對葉片結構的三維振動,用錘擊法進行了測試分析。在模型的二個面選取54個測點,因而離散系統(tǒng)具有n=162個自由度,見圖1。對葉片進行用特別夾具進行夾緊,使其處于懸臂梁狀態(tài)。在測試前,為選取頻率范圍,首先對葉片用有限元方法進行了動態(tài)計算,邊界條件按試驗條件處理,算出了前8階固有頻率及振型曲線圖。得知:在200Hz內共有8個模態(tài)。按照計算出的頻率范圍,選用橡膠錘頭,頻率范圍取200Hz。儀器匹配:敲擊錘,三向傳感器,磁帶記錄儀,CF—920動態(tài)分析儀,電荷放大器,計算機,MODAL3.0分析軟件,其主測試系統(tǒng)路線圖為:葉片—電荷放大器—磁帶記錄儀—CF-920分析儀—計算機。用三向加速度傳感器測量,用一點激勵,多點測量的方法采集信號,平均16次,每點測出3個頻響函數,共162個。圖2為某測點的相干函數曲線圖。從圖中可見,各階頻率的相干系數都較好,所得結果是可靠的。通過測試,分析各點的頻響函數曲線,可知在頻率范圍0～200Hz內存在8個模態(tài),為建立離散系統(tǒng)的模態(tài)模型,以實測的加速度頻率響應為基礎,采用了兩種參數識別方法:(1)頻率分析的單模態(tài)曲線擬合法;(2)復峰值法。采用MODAL3.0軟件,計算結果見表1,并附有計算機屏幕上的三維振動的振型動畫顯示并用計算機畫出各階振型圖,圖3是前8階振型圖。3錘擊法測試aa)該葉片為5kW風力機葉片,額定轉速為125r/min,葉片表面由玻璃剛粘結而成,內部充滿泡沫塑料。該葉片具有多諧振,阻尼小,頻率密集等特點。用錘擊法測試時,錘子及錘頭的選取一要適當,這樣才能激出該頻段內的全部模態(tài)。b)葉片在工作中受各種動載荷作用,使其產生振動,而葉片在共振情況下,能產生災難性破壞,該文得出的葉片一階頻率為18.92Hz,恰