风电叶片两轴共振疲劳加载试验系统机电耦合动力学研究

Fatigue damage is one of the main wind turbine blade failure mode.In fatigue loading test for wind turbine blade, the method of single-axis loading has the problem of much error and distortion of the testing result. A new dual-axis resonating fatigue loading mode(electrically driven) is put forward to improve the testing accuracy in this project. However, the two frequency conversion motors and the wind turbine blade construct a complicated non-liner energy transferring system where the coupling effect will influence the distribution of target flexural moment seriously and then testing result. So firstly the electromechanical coupling mechanisms of two asymmetrical cross layout loadings and the electromechanical coupling mechanisms of one loading with blade influenced by another loading will be researched. By building their mathematical and simulation model of coupling, the effect rules of parameters will be found. Then the two models mentioned above will be tested by the developed dual-axis fatigue loading equipment in non-control situation. Finally the support vector machines internal model control algorithm for the fatigue loading process mentioned above will be adopted to form an integrated theory of vibration coupling for dual-axis fatigue loading system. The research findings can supply the strong theoretical and technical support for improving the accuracy of fatigue loading test and getting the precise data of fatigue test.

疲劳破坏是风电叶片最主要的失效方式之一。针对目前风电叶片单轴疲劳加载方法试验结果误差较大，造成疲劳测试失真的问题，提出基于电驱动的两轴共振疲劳加载新方法。该方法中交叉布局的两个加载源与风电叶片构成了一个非线性能量传递系统，固存的耦合现象严重影响疲劳试验结果。为进一步提高疲劳加载精度，本项目将研究基于非对称交叉布局的两加载源联振系统机电耦合机理、扰动载荷作用下的单加载源与叶片振动自同步机理，通过分别建立其相应的机电耦合数学模型和仿真模型，揭示各个参数对上述耦合现象的影响规律。然后搭建相应的两轴疲劳试验加载装备，以此来验证数学模型与仿真模型的准确性。最后开发支持向量机内模解耦算法实现两个加载源速度和相位的精确控制，从而形成完善的两轴共振疲劳加载方法的机电耦合动力学理论体系。本项目研究成果对提高风电叶片疲劳加载精度，获得精确的疲劳试验数据提供强有力的理论和技术支撑。

针对目前兆瓦级风电叶片单轴疲劳加载试验方法加载周期长、测试误差大等问题，本项目首次提出了基于电驱动的两轴共振疲劳加载新方法。该方法中交叉布局的两个加载源与风电叶片构成了一个非线性能量传递系统，固存的耦合现象严重影响目标弯矩的分布精度和疲劳试验结果。.为解决上述问题，首先研究了基于非对称交叉分布的两加载源激振系统的空间耦合机理。构建了基于叶片柔性连接的两加载源振动空间耦合数学模型，得到影响振动耦合的因素有偏心块初始相位差、电机转速和加载位置等。利用MATLAB/Simulink仿真软件建立了振动系统仿真模型，并搭建小型叶片试验现场验证了数学及仿真模型的正确性。得出：两电机应尽量对称安装，电机转速应尽量相等，才能使两偏心块相位差趋于零，从而获得稳定的叶片振幅。因此需对两电动机进行同步控制以避免加载系统振动紊乱。.其次，研究了扰动载荷影响下的单加载源与叶片的振动自同步机理。构建叶片振动自同步数学模型，得到影响振动自同步的因素有扰动载荷转速和初始相位差等。采用相平面法建立仿真模型，并基于LabVIEW软件开发了上位机监控界面进行现场试验验证。当两偏心块初始相位差小于pi/20时，叶片振幅从零逐渐平稳增大至100mm左右并趋于稳定，即两者发生了振动自同步。随着相位差的增大，振动自同步作用减弱。.针对两轴疲劳加载振动耦合的解耦问题，通过支持向量机辨识原系统的广义逆系统，对复合后所得到的伪线性系统引入内模控制，设计了一种支持向量机逆内模解耦控制策略，并搭建了一套完整的风电叶片两轴疲劳加载试验平台以验证该算法的可行性。在大约13s后，转速差与相位差均在零附近做微小波动，叶片在y方向的振幅稳定值增大至±0.6m左右，且浮动较小，证实了该算法的有效性，并通过突加突减负载试验验证了该算法的鲁棒性。.本项目探究了整个两轴激振非线性系统的振动耦合机理，形成了完善的两轴疲劳加载试验系统振动耦合理论体系，为提高风电叶片疲劳加载精度，获得精确的疲劳试验数据提供强有力的理论和技术支撑。