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基于压电陶瓷的预应力装配式叶片模型连接状态监测研究

发布时间:2017-07-15 11:05

  本文关键词:基于压电陶瓷的预应力装配式叶片模型连接状态监测研究


  更多相关文章: 装配式风力发电机叶片 预应力螺栓连接 压电传感器 无损检测 应力波


【摘要】:面对日益严峻的能源紧张和环境污染等问题,对风能的开发利用成为热点。随着风力发电机功率的逐步提高,为增加捕风能力,风力发电机叶片不断加长,而传统的整体式长叶片在我国南方山区风场建设中面临着运输难度大、运输风险高和道路建设成本大增的挑战。基于高强预应力螺栓连接的装配式纤维增强复合材料(FRP)风力发电机叶片通过将长叶片分段制造、运输并现场组装,可有效解决运输难题并降低对道路的要求。这种装配式叶片的预应力连接段结构安全可靠性是关键。国外对复合材料风机叶片的状态监测已进行了大量有益尝试,但目前针对装配式风力发电机叶片的状态监测研究甚少。本文提出一种针对预应力装配式风力发电机叶片连接段的监测方法,具体工作包括以下几个方面:(1)针对PZT片的功能特性介绍了压电传感器的工作原理及其制作和安装,并对健康监测系统的性能进行测试,结果表明其具有良好的响应特性和线性度。(2)介绍了根据某型号大型风力发电机的叶片设计的使用预应力螺栓连接的装配式风力发电机叶片,并根据相似理论设计出单位长度的叶片连接段比例模型。对于不同信号激励下的监测方案进行了设计。(3)对叶片连接段比例模型试件进行连接状态监测,即通过将压电陶瓷片粘贴在连接段试件表面的两侧分别作为驱动端和接收端,对连接件逐级施加螺栓预拉力安装完成后,再在连接段两端施加轴心拉力荷载直至试件破坏。通过比较正弦、扫频激励信号驱动下预应力施加过程以及加载过程中的测量信号某些特征参量,并基于小波包能量分析法提出一种叶片连接状态指标,由此来判断叶片的连接状态的改变,验证了所提出的方法可实现对装配式风力发电机叶片连接段状态的有效监测。(4)提出基于应力波传播的频响函数的分段叶片连接状态的健康监测方法,即由力锤产生脉冲激励信号,仍由PZT传感器作为信号接收端。分析接收信号在合适频段上的频响函数,发现频响函数峰值对应频率会随着叶片连接工况的不同发生偏移,并提出基于频率偏移量的连接状态指标,实现了对叶片连接状态的监测。
【关键词】:装配式风力发电机叶片 预应力螺栓连接 压电传感器 无损检测 应力波
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM315
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-24
  • 1.1 选题背景与研究意义10-12
  • 1.1.1 选题背景10-12
  • 1.1.2 研究意义12
  • 1.2 风力发电发展概况12-20
  • 1.2.1 引言12-14
  • 1.2.2 世界风力发电发展概况14-17
  • 1.2.3 我国风力发电发展概况17-19
  • 1.2.4 装配式风力发电机叶片的发展概况19-20
  • 1.3 国内外风力发电机叶片健康监测研究概况20-22
  • 1.4 主要研究内容22-24
  • 第2章 基于压电材料的结构监测和信号处理24-47
  • 2.1 智能材料24-27
  • 2.1.1 引言24
  • 2.1.2 智能材料分类24-27
  • 2.2 压电材料27-32
  • 2.2.1 压电材料历史27
  • 2.2.2 压电材料分类27-28
  • 2.2.3 压电效应28-29
  • 2.2.4 压电材料的相关参数29-31
  • 2.2.5 压电关系式31-32
  • 2.3 基于压电陶瓷的结构健康监测技术32-39
  • 2.3.1 基于压电陶瓷的被动健康监测33-34
  • 2.3.2 基于压电陶瓷的主动健康监测34-37
  • 2.3.3 结构损伤识别37-39
  • 2.4 应力波测量的数字信号处理方法39-46
  • 2.4.1 信号介绍39-41
  • 2.4.2 信号的选取41-42
  • 2.4.3 信号的激励42
  • 2.4.4 信号的采样42-43
  • 2.4.5 信号的加窗43-44
  • 2.4.6 信号的数字滤波44-46
  • 2.5 本章小结46-47
  • 第3章 基于压电驱动的叶片连接段单元比例模型监测47-60
  • 3.1 引言47
  • 3.2 基于压电陶瓷信号激励的叶片连接段试件监测方案47-53
  • 3.2.1 分段叶片比例模型试件的设计47-49
  • 3.2.2 粘贴式压电陶瓷片监测布置方案49-50
  • 3.2.3 叶片连接段试件预应力施加以及拉伸试验50-52
  • 3.2.4 监测原理52-53
  • 3.3 正弦激励下分段叶片连接状态监测53-59
  • 3.4 本章小结59-60
  • 第4章 基于扫频信号下小波包能量分析的叶片连接状态监测60-69
  • 4.1 引言60
  • 4.2 小波和小波包分析60-62
  • 4.3 基于小波包能量的叶片连接段试件监测62-68
  • 4.4 本章小结68-69
  • 第5章 基于频响函数的叶片连接状态监测69-77
  • 5.1 引言69
  • 5.2 脉冲信号激励下频响函数分析69-71
  • 5.2.1 脉冲信号69-70
  • 5.2.2 频响函数的选取70-71
  • 5.3 力锤激励下基于频响函数的叶片连接状态监测71-76
  • 5.3.1 试验方案71-72
  • 5.3.2 输出信号有效频段选择72
  • 5.3.3 力锤信号激励下基于频响函数的叶片连接状态监测结果72-76
  • 5.4 本章小结76-77
  • 结论与展望77-79
  • 参考文献79-86
  • 致谢86-87
  • 附录A 读研期间发表学术论文和参与科研项目87

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