三桩式海上风电支撑结构传感器位置优化及模型试验研究
海上风力发电是现今发展最快的新能源项目，其建设成本比较高，海上风电基础结构的投入占到海上风电总投入的30％左右，机组由于塔架结构受损而损坏的比例达到了18%，也说明了支撑结构设计在整个风电结构设计中占有重要地位。然而，我国海上风电市场还处在起步阶段，针对海上风电系统的安全监测体系尚不成熟。由于海上风电场所处环境比较恶劣，支撑结构在恶劣的环境荷载下可能破坏，影响风电场的正常运行，甚至造成巨大的经济损失，故需要对风电支撑结构进行实时监测。然而对风电支撑结构的每个节点都安装监测设备是不可能的，在此就迫切需要对海上风电基础结构进行传感器的位置优化研究，利用最少的传感器获得结构尽量多的模态信号，从而降低监测成本及提高监测系统的稳定性。 本文的研究重点是对海上风电支撑结构进行传感器位置优化，在前期工作中采用有限元软件对支撑结构的受力情况进行比较详细的受力分析，找出支撑结构在极端工况及正常工况下的危险构件和危险区域，以便在试验阶段对这些区域进行重点监测。然后再建立海上风电支撑结构的数值模型，并利用有效独立法和Guyan扩阶法对其进行传感器位置优化，研究目的是利用尽可能少的传感器获得结构尽可能多的模态信息，在很大程度上降低结构的监测成本，传感器数量越少越有利于整个监测系统的稳定运行。 本文发展了一种模态振型非迭代扩阶方法。该方法引入了一个由对应于主自由度的实测数值及对应于从自由度的待估算数值组成的复合向量，同时修正了结构未测试自由度的振型值，从而实现模态振型的直接扩阶。该方法在一定程度上无需考虑实测结构和有限元模型之间在刚度特性上的建模误差，通过对未测试自由度的振型值进行修正而实现模态振型的直接扩阶，整个估算过程不需要迭代求解，计算效率也很高。通过导管架式三桩海上风电支撑结构的模型试验来验证该方法的可靠性以及工程适用性。 模态参数识别方法选取特征系统实现算法，模态振型扩展方法选取传统的Guyan算法，传感器位置优化以相同数量的安装水深较小位置为优化目标。对海上风电支撑结构传感器位置优化的数值研究方案进行补充。 从海上风电基础结构的试验中获知了海上风电支撑结构的重点监测区域，同时使用Guyan扩阶法对获取的结构模态信号进行处理，获得了模型结构的传感器位置优化的最佳布置。物理模型试验得到的传感器布置数量比数值研究的传感器安装数目更少，且传感器布置位置更加合理。
海上风电技术;Guyan扩阶法;支撑结构;传感器;位置信息
中国海洋大学
硕士
水利工程
刘福顺
2013
中文
P742;TP212
102
2013-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）