大型风电叶片的模态测试与数值模拟

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1、中国工程热物理学会流体机械学术会议论文编号：087074大型风电叶片的模态测试与数值模拟111毛火军，石可重，李宏利（中国科学院工程热物理研究所，北京100190）(Tel:010-825430399,Email:maohuojun@etp.ac.cn)摘要：近年来，风电机组越来越向大型化方向发展，叶片长度迅速增大，这使得风电叶片的动态响应研究越来越重要。本文利用中科院工程热物理所与保定国家新能源产业基地合作建立的风电叶片检测平台对某MW级风电叶片进行了全尺寸模态试验的研究。试验采用不测力法，分挥舞和摆振两个方向对叶

2、片的振动模态进行了测试。将采集到的时域信号进行处理，得到叶片的振动特性。之后针对大型风电叶片的特点，对叶片结构进行了简化，并在此基础上建立叶片计算模型，利用有限元方法对叶片的模态进行了数值模拟，得到叶片的振动特性。通过对有限元模态计算和试验模态分析结果的比较，验证了计算方法的可靠性。最后，分析了两种模态分析方法的优缺点，为有限元方法在叶片检测和设计中的应用提供有力参考。关键词：风电叶片；模态测试；数值模拟0.前言近年来随着叶片长度的增大，叶片柔度也开始增加。这使得叶片的失稳问题越来越受到关注。另外，叶片的失效在很多情

3、况下都归因于共振应力所引起的疲劳。如果要延长叶片寿命，则必须降低叶片共振动应力。这些都使得风电叶片的动态响应研究越来越重要。模态分析是研究结构动态响应最常用的方法。一个系统的动态响应可以分解为一系列离散的模态的形式。这些模态参数包括：模态频率、模态阻尼、模态振型等。模态分析分为试验模态分析和计算模态分析两种方法。国内学者对两者都有一些研究，但由于现代风电叶片的尺寸大，成本高，因而现有的试验模态研究都是局限于长度不超过1m[1]的小叶片上，对大型风电叶片的试验模态分析的研究还有所欠缺；在计算模态分析中，对叶片结构的处理

4、也稍显粗略。本文利用中科院工程热物理所与保定国家新能源产业基地合作建立的风电叶片检测台进行了1.5MW级38m风电叶片的试验模态研究，并针对叶片结构特点进行了适当简化，在此基础上利用有限元方法进行计算模态分析。最后本文对这两种方法得到的结果进行了比较，得到了较为一致的结果。资助项目：国家高技术研究发展计划(863)(No.O612011811)1.试验测试1.1.检测台本次试验的试验件为1.5MW级风电叶片，该叶片由中科院工程热物理研究所设计，叶片长度38m，重6吨。为了减小其他结构对叶片振动的影响，大型叶片的模态测

5、试对试验台的要求很高。本试验试验台采用用中科院工程热物理所与保定国家新能源产业基地合作建立的风电叶片检测台进行。此检测台最大叶片检测长度达65米，为目前国内检测能力最大的检测台。图1风电叶片检测试验台1.2.测试方法与设备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。对于小型叶片，由于其固有频率高，易激励，因而一般采用测力法进行测量。考虑到本试验中叶片的质量大，固有频率低（设计一阶挥舞频率低于1Hz），模态不易激励，最终选用不测力法进行测量。根据所选取的测量方法，本试验选用江苏东华

6、测试有限公司生产的DHDAS-3817动静态信号测试系统一台来记录振动信号。该测试系统能同时记录8个通道信号。运动传感器使用DH610磁电式速度传感器。该传感器具有超低频、大幅值测量，动态范围大，密封性能好，不需调零位等优点。频率响应范围0.1-100Hz。按照测量的运动方向的不同，该传感器分为纵向传感器和横向传感器两种。[2]依据《IEC61400-23Full-ScaleStructuralTestingofWindTurbineBlades》标准和我[3]国机械行业标准《JBT10194-2000风电机组风能叶

7、片标准》，风电叶片一般需要测试挥舞方向1、2阶，摆振方向1阶固有频率。由于测试通道和传感器数量限制（纵向传感器6个，横向传感器2个），并考虑到叶片的几何形状，将测试分为两个方向进行，前一次利用纵向传感器测量挥舞模态，后一次利用横向传感器测量摆振模态。1.3.测试过程试验件的固定状态为叶根通过试验台固支，相当于悬臂梁，以模拟实际叶片的工作状态。挥舞扭转模态测点分布如图2所示。共分两批进行测试，分别用首位编号1和2表示。图2挥舞扭转模态测点分布传感器安装完毕之后，通过动态数据采集系统检查安装状况，并试采样，调整传感器到合

8、适档位。检查无误后开始采样，采样时间为600s。采样完毕后移动除参考点外的传感器到预定位置，再次开始采样，采样时间也是600s，采用频率200Hz。数据采集系统的接地端要接地良好，以减小误差。摆振模态测试测点分布如图所示。由于摆振传感器数量较少（只有2个），所以试验分三批进行。整个过程中固定一个参考点，然后移动另外一个传感器。三批次一共能够测试