专利名称：大型风电叶片高阶频率的测试方法
技术领域：
本发明涉及一种大型结构件振动模态的测试方法，具体涉及一种大型风电叶片高 阶频率的测试方法。主要用于大型风电叶片高阶频率振动模态特性验证和监测。
背景技术：
随着风电产业的大型化发展，风电叶片的长度和柔度越来越大，这使得叶片的失 稳问题越来越受到关注。为了防止风电叶片发生振动失稳和共振应力所引起的疲劳失稳， 延长叶片寿命，避免风轮的失稳破坏，必须在设计和制备过程中想办法降低风电叶片共振 动应力，以及需要对已生产风电叶片的设计振动模态特性进行验证和监测。结构的模态特 性包括结构的振动频率、振型及阻尼比，该参数只与结构自身的材料特性、刚度、重量、约束 等有关，与外界载荷无关。虽然结构的自振频率、振型可以通过理论计算求得，但通过测试 得到的模态特性仍然具有重要的意义，不仅可以验证理论计算结果，而且还是大型风电叶 片安全性评估及损伤识别的重要依据。目前传统的试验模态分析方法可以分为频响函数法(简称测力法)和环境激励法 (简称不测力法)两种。所谓的测力法，就是在试验过程中需要同时测量激励力和响应的方 法。对于小型叶片，由于其固有频率高，易激励，测力简单，可采用测力法进行测量。但对于 大型风电叶片，因其具有大展弦比、大质量、空壳结构、固有频率较低(设计一阶挥舞频率 低于IHz)的结构特点，激励和测力困难，因此不适宜采用测力法测量。不测力法就是在试 验过程中不需要测量激励力的方法，一般采用环境激励的方法，但是环境激励的不测力法 受外界环境因素的影响较大，既不可控又难以测量，而且随机性很大，采样时间要求较长， 环境风载和噪声干扰的影响往往使得不测力法难以得到准确的频率测试结果，特别是大型 风电叶片的高阶频率。为了适应大型风电叶片设计、制备和安全监测的需要，发展和建立操作简单、测量 准确的高阶频率测试方法具有重要的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有大型风电叶片的高阶频率测试技术的不足， 提供一种简单、便捷、准确度高、适用性强的大型风电叶片高阶频率的测试方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种大型风电叶片高阶频率的测 试方法，首先确定了合理的测点布置方案，使用高弹性聚能力锤对叶片进行激振，并采用加 速度传感器来测试叶片的振动响应，通过数据采集系统对叶片频率进行采集，最后通过后 端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，确定该大型风电叶片各阶固有频率。所述大型 风电叶片高阶频率的测试方法包括以下步骤1、确定叶片频率测试点在进行频率测试之前，建立大型风电叶片的有限元模型，对风电叶片进行初步动 力特性分析，据此确定叶片频率测试振动信号的测试点，使测试点沿叶片长度方向设置在振型模型曲线上位移较大的部位，并使测试点远离振动干扰源。2、安装测试叶片及布置振动信号测试系统将所需测试的叶片通过安装法兰用螺栓安装在叶片试验台上，并在上述有限元模 型分析确定的相应测试点上安装振动信号传感器，并将传感器与数据采集系统相连接。3、高弹性力锤激励及振动信号采集采用高弹性力锤分别沿测试叶片的挥舞方向和摆振方向激励被测试叶片，利用加 速度传感器对所述大型风电叶片分别进行挥舞方向的时域测试和摆振方向的时域测试，通 过数据采集系统对叶片频率进行采集，并将采集到的信号通过传输线路传输到后端服务器 和数据分析系统。4、振动信号处理使用加速度传感器测量得到的风电叶片在不同位置处的振动加速度值之后，通过 后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，最后确定该大型风电叶片各阶固有频率。上述技术方案中，步骤一确定叶片频率测试点包括确定测试点的个数和位置，原 理是尽量将测试点设置在叶片长度方向上振型模型曲线位移较大的部位，并使测试点远离 振动干扰源；模态振型可通过ANSYS有限元软件建立风电叶片的有限元模型进行其动力特 性分析初步确定，并结合风电叶片的长度确定测试点的个数；对于1. 5MW以上的大型风电 叶片频率测试点个数优选为8个以上，相邻测试点间的间距优选范围为l_3m，且以等距为 优；此外，因为风电叶片的主承力梁承载叶片的主要载荷且载荷作用下变形最大，因此叶片 挥舞方向频率测试的测试点应优选在沿长度方向主承力梁中心线上。上述技术方案中，步骤二 安装测试叶片及布置振动信号测试系统主要是将待测 风电叶片安装在叶片试验台上和安装、连接传感器及信号采集处理系统。所述叶片试验台 是由钢板及工字钢等钢结构组成，基础采用钢筋混凝土构筑，并且测试台要有足够的空间 满足叶片变形、仪器设备摆放和安全要求等，测试台要保持清洁，无异物干扰；所述待测叶 片通过叶片根部的金属安装法兰安装在叶片试验台上，固紧螺栓使待测叶片在整个测试过 程中始终处于悬臂梁的状态；所述传感器与信号采集系统的连接线采用具有噪声屏蔽功能 的连接线。上述技术方案中，步骤三高弹性力锤激励及振动信号采集采用高弹性力锤激励 待测试叶片和采用加速度传感器对待测叶片进行时域测试，并通过数据采集系统采集测试 信号。所述高弹性力锤为高弹性硅橡胶力锤，高弹性保证力锤在激励过程中能够对待测风 电叶片提供足够激励力且保证不损坏待测叶片的壳体结构，力锤重量优选为l_3kg ；激励 位置优选为叶片叶尖部位l_4m处。步骤三中，所述振动信号测试原理为时域测试，所谓时域测试是指直接在时间域 中对系统进行分析测试的方法。在该测试方法中，通过时域测试得到时域数据需要通过快 速傅里叶变换变换到频域进行参数识别。步骤二和步骤三中，振动信号采集系统包括加速度传感器、抗混滤波传感器、信号 采集仪和连接线。所述加速度传感器的测试频率范围为0. 2HZ-1. 5kHz ；抗混滤波传感器为 8-12通道；信号采集仪为8-12通道；连接线具有抗噪声干扰屏蔽功能。上述技术方案中，步骤四振动信号处理是通过后端服务器识别和分析加速度传 感器测试得到的振动信号，最终得到风电叶片的各阶频率。所述后端服务器包括便携式计
4算机和振动信号测试软件。具体方法是通过测试软件对得到的振动信号进行重采样，时域 数据去除均值和快速傅立叶变换等一系列处理，识别模态参数，最后确定大型风电叶片各 阶固有频率。上述技术方案中，采样参数包括采样频率、分析频率、滤波频率、采样时间和频谱 分析频率分布率。所述采样频率的优选范围为I-SOHz ；分析频率优选范围为l-40Hz ；滤波 频率优选范围为l-40Hz ；采样时间优选范围为20-60s ；频谱分析频率分辨率优选范围为 0. 01-0. 5Hz。上述技术方案中，应注意以下几点(1)加速度传感器应该通过钢制垫片固定在片叶表面，并在进行测试之前用数据 采集系统检查安装状况，并试采样，调整放大器增益到合适档位，检查无误后再开始采样。(2)要求传感器具有很低的频响特性以及较高的灵敏度，振动信号经过高放大倍 数的低噪声放大器再进行传输。(3)测试时，风电叶片挥舞方向和摆振方向的频率测试应分别激振和采样。与现有技术相比，本发明的优点在于首先，本发明的测试方法中采用高弹性力 锤激励_不测力法测量大型风电叶片的高阶频率，不仅克服了大型风电叶片难于激励的问 题，而且有效地解决了不测力法易受外界环境因素影响的问题；其次，本发明的测试方法不 仅能够准确测量大型风电叶片的一阶固有频率，而且能够同时准确得到风电叶片的高阶固 有频率；此外，本发明的测试方法简单易行，测试结果直观准，可有效应用于各种大型风电 叶片的高阶频率测试。
图1为本发明所述的大型风电叶片高阶频率测试方法的流程图；图2为本发明所述的叶片试验台的结构示意图；图3为本实施例中40m长风电叶片高阶频率测试的测点布置示意图；图4为本实施例中力锤激励下挥舞方向叶片各测点的加速度频谱图；图5为本实施例中力锤激励下摆振方向叶片各测点的加速度时域图和频谱图。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明的具体实施方式
进行详细地说明。一种大型风电叶片高阶频率的测试方法，首先确定了合理的测点布置方案，使用 高弹性聚能力锤对叶片进行激振，并采用加速度传感器来测试叶片的振动响应，通过数据 采集系统对叶片频率进行采集，最后通过后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，确 定该大型风电叶片各阶固有频率。所述大型风电叶片高阶频率的测试方法的流程如附图1 所示，主要包括以下步骤1、确定叶片频率测试点在进行频率测试之前，建立大型风电叶片的有限元模型，对风电叶片进行初步动 力特性分析，据此确定叶片频率测试振动信号的测试点，使测试点沿叶片长度方向设置在 振型模型曲线上位移较大的部位，并使测试点远离振动干扰源。2、安装测试叶片及布置振动信号测试系统
将所需测试的叶片通过安装法兰用螺栓安装在叶片试验台上，并在上述有限元模 型分析确定的相应测试点上安装振动信号传感器，并将传感器与数据采集系统相连接。3、高弹性力锤激励及振动信号采集采用高弹性力锤分别沿测试叶片的挥舞方向和摆振方向激励被测试叶片，利用加 速度传感器对所述大型风电叶片分别进行挥舞方向的时域测试和摆振方向的时域测试，通 过数据采集系统对叶片频率进行采集，并将采集到的信号通过传输线路传输到后端服务器 和数据分析系统。4、振动信号处理使用加速度传感器测量得到的风电叶片在不同位置处的振动加速度值之后，通过 后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，最后确定该大型风电叶片各阶固有频率。上述技术方案中，步骤一确定叶片频率测试点包括确定测试点的个数和位置，原 理是尽量将测试点设置在叶片长度方向上振型模型曲线位移较大的部位，并使测试点远离 振动干扰源；模态振型可通过ANSYS有限元软件建立风电叶片的有限元模型进行其动力特 性分析初步确定，并结合风电叶片的长度确定测试点的个数；对于1. 5MW以上的大型风电 叶片频率测试点个数优选为8个以上，相邻测试点间的间距优选范围为l_3m，且以等距为 优；此外，因为风电叶片的主承力梁承载叶片的主要载荷且载荷作用下变形最大，因此叶片 挥舞方向频率测试的测试点应优选在沿长度方向主承力梁中心线上。上述技术方案中，步骤二 安装测试叶片及布置振动信号测试系统主要是将待测 风电叶片安装在叶片试验台上和安装、连接传感器及信号采集处理系统。所述叶片试验台 是由钢板及工字钢等钢结构组成，基础采用钢筋混凝土构筑，并且测试台要有足够的空间 满足叶片变形、仪器设备摆放和安全要求等，测试台要保持清洁，无异物干扰；所述待测叶 片通过叶片根部的金属安装法兰安装在叶片试验台上，固紧螺栓使待测叶片在整个测试过 程中始终处于悬臂梁的状态；所述传感器与信号采集系统的连接线采用具有噪声屏蔽功能 的连接线。上述技术方案中，步骤三高弹性力锤激励及振动信号采集采用高弹性力锤激励 待测试叶片和采用加速度传感器对待测叶片进行时域测试，并通过数据采集系统采集测试 信号。所述高弹性力锤为高弹性硅橡胶力锤，高弹性保证力锤在激励过程中能够对待测风 电叶片提供足够激励力且保证不损坏待测叶片的壳体结构，力锤重量优选为l_3kg ；激励 位置优选为叶片叶尖部位l_4m处。步骤三中，所述振动信号测试原理为时域测试，所谓时域测试是指直接在时间域 中对系统进行分析测试的方法。在该测试方法中，通过时域测试得到时域数据需要通过快 速傅里叶变换变换到频域进行参数识别。步骤二和步骤三中，振动信号采集系统包括加速度传感器、抗混滤波传感器、信号 采集仪和连接线。所述加速度传感器的测试频率范围为0. 2HZ-1. 5kHz ；抗混滤波传感器为 8-12通道；信号采集仪为8-12通道；连接线具有抗噪声干扰屏蔽功能。上述技术方案中，步骤四振动信号处理是通过后端服务器识别和分析加速度传 感器测试得到的振动信号，最终得到风电叶片的各阶频率。所述后端服务器包括便携式计 算机和振动信号测试软件。具体方法是通过测试软件对得到的振动信号进行重采样，时域 数据去除均值和快速傅立叶变换等一系列处理，识别模态参数，最后确定大型风电叶片各阶固有频率。上述技术方案中，采样参数包括采样频率、分析频率、滤波频率、采样时间和频谱 分析频率分布率。所述采样频率的优选范围为I-SOHz ；分析频率优选范围为l-40Hz ；滤波 频率优选范围为l-40Hz ；采样时间优选范围为20-60s ；频谱分析频率分辨率优选范围为 0. 01-0. 5Hz。上述技术方案中，应注意以下几点(1)加速度传感器应该通过钢制垫片固定在片叶表面，并在进行测试之前用数据 采集系统检查安装状况，并试采样，调整放大器增益到合适档位，检查无误后再开始采样。(2)要求传感器具有很低的频响特性以及较高的灵敏度，振动信号经过高放大倍 数的低噪声放大器再进行传输。(3)测试时，风电叶片挥舞方向和摆振方向的频率测试应分别激振和采样。实施例依据本发明的测试方法，测试40m长风电叶片的高阶频率。本实施例中所需的测 试设备及其基本性能要求如下表1测试仪器列表
权利要求
一种大型风电叶片高阶频率的测试方法，其特征在于首先确定了合理的测点布置方案，使用高弹性聚能力锤对叶片进行激振，并采用加速度传感器来测试叶片的振动响应，通过数据采集系统对叶片频率进行采集，最后通过后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，确定该大型风电叶片各阶固有频率。
2.根据权利要求1所述的大型风电叶片高阶频率的测试方法，其特征在于大型风电 叶片高阶频率的测试包括以下步骤(1)确定叶片频率测试点在进行频率测试之前，建立大型风电叶片的有限元模型，对风电叶片进行初步动力特 性分析，据此确定叶片频率测试振动信号的测试点，使测试点沿叶片长度方向设置在振型 模型曲线上位移较大的部位，并使测试点远离振动干扰源；(2)安装测试叶片及布置振动信号测试系统将所需测试的叶片通过安装法兰用螺栓安装在叶片试验台上，并在上述有限元模型分 析确定的相应测试点上安装振动信号传感器，并将传感器与数据采集系统相连接；(3)高弹性力锤激励及振动信号采集采用高弹性力锤分别沿测试叶片的挥舞方向和摆振方向激励被测试叶片，利用加速度 传感器对所述大型风电叶片分别进行挥舞方向的时域测试和摆振方向的时域测试，通过数 据采集系统对叶片频率进行采集，并将采集到的信号通过传输线路传输到后端服务器和数 据分析系统；(4)振动信号处理使用加速度传感器测量得到的风电叶片在不同位置处的振动加速度值之后，通过后端 服务器进行大型风电叶片模态参数识别，最后确定该大型风电叶片各阶固有频率。
3.根据权利要求1或2所述的大型风电叶片高阶频率的测试方法，其特征在于所述 叶片频率测试的振动激励为高弹性力锤激励，激励位置位于叶尖部位。
4.根据权利要求1或2所述的大型风电叶片高阶频率的测试方法，其特征在于所述叶 片挥舞方向频率测试的测试点至少为8个，相邻测试点间距为2m ；所述叶片摆振方向频率 测试的测试点至少为2个，相邻测试点间距为2m。
5.根据权利要求1或2所述的大型风电叶片高阶频率的测试方法，其特征在于所述叶 片试验台是由钢板及工字钢等钢结构组成，基础采用钢筋混凝土构筑，并且测试台要有足 够的空间满足叶片变形、仪器设备摆放和安全要求等，测试台要保持清洁，无异物干扰。
全文摘要
本发明公开了一种大型风电叶片高阶频率的测试方法，该方法首先确定了合理的测点布置方案，使用高弹性聚能力锤对叶片进行激振，并采用加速度传感器来测试叶片的振动响应，通过数据采集系统对叶片频率进行采集，最后通过后端服务器进行大型风电叶片模态参数识别，确定该大型风电叶片各阶固有频率。本发明采用改进后的不测力法测试大型风电叶片的高阶频率，克服了由于其具有大展弦比、大质量、固有频率较低(设计一阶挥舞频率低于1Hz)而不易激励的特点，能直观有效地测试出40m以上大型玻璃钢风电叶片的高阶频率。
文档编号G01H1/00GK101949731SQ201010252220
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者冯学斌, 曹阳俊, 林能发, 查国涛, 欧阳玉香, 袁健, 郭俊, 陶为乐 申请人:株洲时代新材料科技股份有限公司