海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析與動(dòng)態(tài)參數(shù)識(shí)別研究.pdf

1、海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)所處的工作環(huán)境極為復(fù)雜，其運(yùn)行狀態(tài)下不僅會(huì)受到風(fēng)、浪、流等多種外部動(dòng)力荷載的聯(lián)合影響而誘發(fā)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，形成環(huán)境荷載激勵(lì)下“機(jī)組—塔筒—基礎(chǔ)—地基”耦合系統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)問題；同時(shí)機(jī)組運(yùn)行還會(huì)帶來結(jié)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械、電磁以及工作設(shè)備等原因發(fā)生振動(dòng)從而引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多諧波激勵(lì)共同作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)現(xiàn)象。不同特性的外部荷載激勵(lì)作用在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生不同的體現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，主要包括結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)下的工作模態(tài)、振動(dòng)振源以及激勵(lì)荷載等。這些

2、動(dòng)態(tài)指標(biāo)不僅有利于準(zhǔn)確把握風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動(dòng)動(dòng)力特性，而且對(duì)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測與運(yùn)行安全性評(píng)估具有重要的指導(dǎo)意義。因此，本文針對(duì)以上有關(guān)海上風(fēng)電各關(guān)鍵問題展開深入的研究，并取得了以下創(chuàng)新性研究成果：
　　（1）基于現(xiàn)場原型觀測資料，全面分析海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)響應(yīng)特性及其變化規(guī)律。
　　基于某海上風(fēng)電試驗(yàn)樣機(jī)原型觀測獲得的振動(dòng)位移數(shù)據(jù)，首先對(duì)不同運(yùn)行工況下海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的基本特性進(jìn)行描述。其

3、次明確風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在復(fù)雜臺(tái)風(fēng)影響期間結(jié)構(gòu)振動(dòng)與運(yùn)行因素間的相互關(guān)系。最后驗(yàn)證包括環(huán)境風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及機(jī)組負(fù)荷等多種運(yùn)行因素間存在的同步性特征，探討各運(yùn)行因素對(duì)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響機(jī)理及相應(yīng)變化規(guī)律，并論證了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在不同工作狀態(tài)下具有較好的振動(dòng)安全性。
　?。?）提出一套適用于不同程度諧波激勵(lì)下海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的工作模態(tài)識(shí)別方法，減少了強(qiáng)諧波干擾對(duì)識(shí)別精度的影響。
　　以現(xiàn)場實(shí)測振動(dòng)位移數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，針對(duì)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài)下

4、受到不同程度諧波激勵(lì)影響所體現(xiàn)的相異振動(dòng)特性，結(jié)合組合降噪理論提出一套適用于海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在諧波激勵(lì)影響下的工作模態(tài)識(shí)別方法。該方法以特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法（ERA）與概率密度函數(shù)法（PDF）為理論基礎(chǔ)，考慮強(qiáng)諧波激勵(lì)影響并在Hankel矩陣中加入已知的諧波頻率干擾成分，達(dá)到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征矩陣中諧波成分與結(jié)構(gòu)固有模態(tài)信息完全分離的目的，為海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了有效的方法與途徑。此外，再提出一種考慮諧波修正的SSI法（HM-SSI），利用懸臂

5、梁模型說明新方法在識(shí)別精度和穩(wěn)定性上的優(yōu)越性以及對(duì)諧波頻率、噪聲程度與諧波幅度等干擾的魯棒性，進(jìn)而對(duì)海上風(fēng)機(jī)多種高轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況下工作模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別并通過共振校核方法評(píng)估風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)具有良好的運(yùn)行安全性。
　?。?）構(gòu)建了基于譜峭度的振源識(shí)別方法，識(shí)別明確了海上風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行各工況的振源種類、主振源及其變化規(guī)律。
　　針對(duì)工作狀態(tài)下誘發(fā)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振源類型及振源機(jī)理尚不明確的問題，開展海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振源識(shí)別及其隨運(yùn)行因素變化特性與

6、規(guī)律的研究。首先引入譜峭度理論以分辨結(jié)構(gòu)特定頻率振動(dòng)所體現(xiàn)隨機(jī)或諧波特性，討論風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài)下響應(yīng)中出現(xiàn)的主要頻分信息及結(jié)構(gòu)振動(dòng)可能振源的形成機(jī)理，識(shí)別確定引起海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要振源類型與相應(yīng)頻域信息。其次深入研究風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)不同位置的振源分布規(guī)律及能量變化特征，明確誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)各主要振源及其對(duì)應(yīng)能量隨運(yùn)行因素變化的規(guī)律，說明各主要振源振動(dòng)與整體振動(dòng)幅度間的變化影響關(guān)系。最后精細(xì)劃分諧波激勵(lì)振源中關(guān)于轉(zhuǎn)頻（1P）與倍頻（主要為3P）

7、部分的能量，論證了轉(zhuǎn)頻頻率（1P）在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)共振校核中的重要性。
　?。?）提出了海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載參數(shù)的定量優(yōu)化識(shí)別方法，基于實(shí)測振動(dòng)響應(yīng)全面分析風(fēng)電結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)荷載的影響因素和變化規(guī)律。
　　針對(duì)在海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)所受到的環(huán)境荷載無法具體通過實(shí)測方法獲得的工程難題，一方面，基于原型觀測的動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)給出風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)筒頂?shù)刃ъo態(tài)荷載的理論求解方法，定性地研究不同運(yùn)行工況下結(jié)構(gòu)整體荷載的變化規(guī)律及安全性。另一方面，以停機(jī)工況下風(fēng)機(jī)結(jié)

8、構(gòu)為研究對(duì)象，綜合考慮結(jié)構(gòu)的普遍受力機(jī)理構(gòu)建“海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載參數(shù)模型”，提出建立了“海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載參數(shù)的定量優(yōu)化識(shí)別程序系統(tǒng)”。充分利用不同工況下實(shí)測結(jié)構(gòu)多點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，基于粒子群優(yōu)化算法（PSO）循環(huán)調(diào)用風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)等效數(shù)值模型，以尋優(yōu)思想反饋分析并歸納關(guān)鍵動(dòng)力荷載參數(shù)，對(duì)適用于實(shí)際海上風(fēng)電工程的定常阻力與非定常升力系數(shù)隨環(huán)境因素變化的動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行研究。同時(shí)，通過對(duì)停機(jī)狀態(tài)下動(dòng)力荷載參數(shù)的優(yōu)化識(shí)別，探究了海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)際工況