基于分布振动响应非线性程度估计的风力机叶片裂纹定位方法研究

Cracks location is a difficult task in the health monitoring for wind turbines blades. It will have great importance in prolonging the working life, reducing operation down time and improving the economic benefits for wind turbines. In this project, a cracks location method is proposed for wind turbine blades based on nonlinearity measure in the distributed vibration responses，mainly includes: (1) Establishing a distributed parameter model and dynamic simulation model for wind turbine blade, analyzing the influence of crack to vibration response dynamics of its adjacent location point, (2)Nonlinearity quantification methods in time domain and frequency domain are proposed for wind turbines blades with or without cracks, the influence laws for the locations and parameters of cracks to nonlinearity degrees of vibration response on its adjacent points, (3) Establishing intelligent identification and judgment methods for cracks locations for wind turbine blades based on results of nonlinearity quantification. The results of this project can enrich the monitoring technology for cracks in wind turbine blades, and will provide theoretical basis and technical support for applications of on-line measurement method based on the vibration response.

叶片裂纹定位是风力机健康监测中一个难度较大的任务，准确判定风机叶片裂纹位置对于延长工作寿命、减少运行停机时间、提高经济效益等方面具有重要的意义。项目提出基于分布振动响应非线性程度估计的风力机叶片裂纹定位方法研究，主要内容包括：(1)风力机叶片分布参数模型与动力学仿真模型建立，裂纹对相邻位置点振动响应动力学特性的影响规律分析；(2)叶片无裂纹状态与存在裂纹状态的非线性程度时域和频域量化估计方法，揭示裂纹位置变化和参数对叶片相邻点振动响应非线性程度的影响规律；(3)风力机叶片裂纹位置智能识别与判断方法，实现基于分布点振动响应非线性程度估计值的风力机叶片裂纹定位。项目研究可丰富基于振动响应的风力机叶片裂纹检测方法，为基于振动的在线检测技术在风力机叶片监测领域的推广与应用提供理论基础与技术支持。

准确判定叶片上的裂纹位置对于通过检修延长风力机叶片的工作寿命、减少运行停机时间、提高经济效益等方面具有重要的意义。振动法是风力机叶片结构损伤检测的主流和核心方法，具有重要的理论研究价值和工程应用前景。项目开展了基于分布振动响应非线性程度估计的风力机叶片裂纹定位方法研究，在风力机叶片分布参数建模、振动响应非线性程度估计方法、基于分布振动响应非线性程度估计的叶片裂纹定位方法方面取得了重要进展。(1)建立了无裂纹与含裂纹风力机叶片分布参数模型，提出了基于经验特征函数的分布参数模型降阶方法，并基于仿真手段实现了基于谐响应的风力机叶片动力学特性的初步分析；(2)建立了振动响应非线性程度量化估计方法，研究了基于动力学非线性程度或行为复杂度的机械系统结构健康状态评估方法，并以典型转子系统为对象实现应用，主要包括振动响应非线性程度估计方法在转子系统支承松动状态评估中的应用，建立了参数变化对机械系统动力学行为非线性程度的影响分析方法，为建立基于非线性程度量化的叶片裂纹定位方法提供了指导。(3)建立了基于振动响应非线性程度时域量化估计的叶片裂纹定位方法，提出了基于多点振动响应奇异值分解的叶片裂纹定位方法、基于S变换和互信息熵的叶片裂纹定位方法。(4)针对基于非线性程度时域量化估计易受外部噪声干扰影响裂纹定位效果的问题，建立了基于非线性程度频域量化估计的叶片裂纹定位方法，提出了基于分布频响函数估计的叶片裂纹定位方法、基于激励力水平控制的叶片裂纹位置识别方法、基于Hilbert变换非线性估计的叶片裂纹定位方法和基于双相干谱非线性估计的叶片裂纹定位方法，实现了风力机叶片裂纹定位方法的原理研究和小型装置实验验证。项目共发表相关论文18篇(SCI源刊10篇、EI源刊2篇)，出版专著1部，申请专利19项(发明专利17项，实用新型专利2项)，获授权发明专利7项，实用新型专利2项，培养研究生4名，获中国仪器仪表学会科技奖1项。