瞿沐淋
明阳智慧能源集团股份公司 广东中山 528400
摘要：随着风电机组的功率和叶片大型化。本文以某1.5MW级风电叶片为例，就叶片模态分析的测试和仿真方法进行了介绍。介绍两种大型风力发电机叶片的模态测试方法，并通过不测力法进行了叶片的模态测试和分析；介绍了大型风力发电机叶片数值仿真中，叶片建模的几种方法及结构简化方向。为风电叶片动态响应情况的研究提供一定的理论依据。
关键词：风力发电机组叶片；模态测试；数值仿真
引言：随着风力发电技术的逐步发展，风力发电机组逐步向着功率和叶片的大型化发展。而随着复合材料等技术不断发展，使风力发电机组的叶片大型化成为可能。但随着叶片的大型化，整机结构的安全性逐步成为新的问题。因此为保证风电机组安全性，对其叶片的动态响应研究十分必要。现阶段，风力发电机组叶片动态响应的常规方法是模态分析。
一、大型风电叶片模态测试方法
（一）检测台介绍
本文研究的叶片为某1.5MW级风力发电机组叶片，长38m、重6t。应用了由中科院工程热物理所和保定国家新能源产业基地共同合作研发建成的风电叶片检测台对叶片进行检定。
（二）检测方法与设备
1.检测方法
实验测试分析主要有测力法与不测力法两种检测方法。其中测力法通过人工激励的方法，简单直接的测量到结构的受力，进而通过计算和分析得到结构的模态数据，包括频率、阻尼振型等；而不测力法主要用于桥梁及大型的街头、运行状态的机械设备或不易实现人工激励的结构进行的结构特性动态试验，方法主要利用实测的时域响应数据，结合建模和拟合的数据识别结构的模态。
在实际检测过程中，考虑到待检叶片质量相对较大，且固有频率相对较低、模态不易激励，故采用不测力法对叶片进行检测。
2.检测设备
在确定叶片具体检测方法后，相关检测人员使用DHDAS—3817动态信号测试系统对信号情况进行记录，以得到叶片的振动信号数据；使用DH610磁电式速度传感器进行测量，以得到叶片的频率响应数据。现阶段，DH610磁电式速度传感器包括纵向传感器与横向传感器，其测试频率的响应范围为0.1Hz到100Hz之间。
3.检测内容
依据国家机械行业标准JBT 10194—2000以及IEC 61400—23标准，本次风电机组叶片测试频率包括挥舞方向1、2阶频率与摆振方向1阶固有频率。
（三）检测过程
风电叶片挥舞扭转膜材的测试点分布情况如图1所示。实际检测过程中，测试人会分别进行两次测试，两次测试标号首位的数字分别为1和2。测试过程中，采样时间控制为600s、采集频率为200Hz。在完成一次采样工作后，为保证采样结果的准确性，相关工作人员将除参考点以外位置的传感器移动到预定位置，再次开始采样工作。在进行摆振方向模拟态测试的过程中，由于预先准备的横向传感器数量相对较少，因此实验将分3批次对等距分布的4个测点进行测试。
图 1 风电叶片挥舞扭转模态测试点分布情况示意图
（四）测试结果
将采样数据进行处理后，结果如表1所示。同时，依据实验测试结果进行挥舞模态振型图的仿真模拟。在对完成模态振型图的仿真后，结果显示：该风电叶片振型为摆振振型，并且在一定程度上出现了扭转。从整体上说，扭转模态的分析确认难度更高，导致这一问题的可能原因在于本次实验中选择的测试点较少，并且测试点的分布情况不够合理。
表 1 风电叶片模态特性参数
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表2数据为处理后的叶片摆振方向1—4阶的模态参数。对比表1和表2数据可知：随着固有频率的增大，叶片的挥舞模态阻尼比和摆振模态阻尼比均有所减小。
而以上情况有利于叶片的低阶模态衰减，叶片的共振稳定性的提升；同时，在本次实验过程中，叶片扭转基本上能与挥舞模态耦合，兼之扭转分量相对较小，故而叶片的扭转模态难以确定。
通过分析可得，造成叶片扭转模态难以确定原因主要有二：其一是由于该风电叶片的扭转刚度相对较大、模态频率比较高，激励难度相对较大；其二是由于本次测试过程中选择的测试点数目相对较少，导致扭转模态识别难度增加[1]。
表 2 风电叶片摆振模态特性参数
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二、大型风电叶片计算模态分析
（一）建模方法
目前对于风力发电机组的叶片仿真，由于叶片是一种极不规则的实体，故而对其进行1:1完全模拟叶片难度过高，基本不能实现。
但为指导叶片的设计和制造，叶片的仿真模拟必不可少。为切实解决这一问题，常见的处理方法主要有3种，第一种是将叶片近似为一个实心体；第二种是采用全三维实体建模；第三种是壳模型方法。
全三维实体模型的优点是模型最为精确、结果也最为准确，缺点是建模和有限元模型的实时修正耗时较长，对计算设备要求较高、计算时间较长，故而实际应用较少。而将叶片近似为实体方法操作较为简单但误差较大。而壳模型处理方法则兼之有计算精确和计算成本低两大优势，故而现阶段，壳模型方法是一种较为常见的模型构建方法。
建模时依据风电叶片厚度尺寸其展向和弦向尺寸小的特点，将叶片抽象为一个壳体。但由于这种模拟方式在实际计算的过程中精确度较实心体模型更高，但还是比全三维实体模型更小，故在本次实验过程中，将全三维实体模型与壳模型构建方法结合到一起，并进行适当简化，为模拟结果准确度的提升提供助力[2]。
（二）简化方法
在开展全三维模型与壳体模型构建方法相结合的过程中，为降低模拟工作的难度，节约工作时间，简化了该叶片尾缘厚度、次要的辅层结构以及铺层厚度的方式。
1.简化尾缘厚度
由于工艺设计和结构安全性需要，当前大部分大型风电叶片的尾缘均有一定的厚度。但在实际计算过程中，除钝尾缘叶片外，其他叶片的尾缘部分厚度对其整体结构产生的影响很小。在实际建模过程中，若尾缘部分的界面曲线不连续，则会极大的增加数值建模工作难度。为切实解决这一问题，降低建模工作的难度，简化尾缘厚度成为一项极为有效的措施。
2.简化次要铺层结构
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目前的大型风电叶片的部分铺层的设计，目的并不是为了强化叶片的结构强度。比如，叶片表面的胶衣与喷漆，其存在并不能改变叶片的结构强度，但是可以避免外界环境对叶片造成伤害。在实际模拟实验的中，这部分铺层对其结构强度并不会产生明显的影响，反而会增加计算工作量。因此在模拟过程中同样可以简化次要铺层结构。
3.简化铺层厚度
对于大型风力发电机叶片的铺层结构，即便是同种材料，在叶片不同位置其厚度也存在着一定的不同，比如主梁部分一定展向内铺层的厚度就是逐渐变化的，但由于该部分的面积相对较小，对计算结果影响不大，但会增加计算工作量。因此，为简化计算、减小工作量，在模拟过程中可以将其材料当成等厚度处理。
4.其余部分
在经过上述部分的简化后，风电叶片的主要部分还包括叶片壳体、叶根、腹板等，这种情况的存在大大降低了叶片的建模难度，同时，在建模过程中，由于建模所应用的数据都经过实际测量得到，因此本次建模测试结果具备极高的可行度。
结论：综上所述，随着风力发电机的逐渐发展，风电机组的大型化已成为必然的趋势。而作为风力发电机组的重要部件之一的叶片，其重要性毋庸置疑。本文主要介绍风力电机叶片的模态测试方法及数值仿真的研究方法，希望为后续风电机组的叶片研究提供一定帮助。主要结论如下：
1）介绍了两种测试叶片模态方法，并通过分析不测力法得到的叶片模态数据可知，实测风力发电机叶片时，需要选取足够的、分布均匀的数据点以保证结果的精确性；
2）在大型风力发电机叶片的数值仿真中，在保证结果的准确性前提下，可通过简化尾缘结构、铺层结构和铺层厚度来减小计算量。
参考文献：
[1]任建,冯忠彬.风电叶片模态参数的模拟识别与试验验证[J].现代工业经济和信息化,2018,8(11):88-90.
[2]李成良,张金峰,张登刚,等.大型风电叶片全尺寸结构测试准确性研究[J].复合材料科学与工程,2021(04):83-88+101.