本發(fā)明涉及風電塔筒狀態(tài)監(jiān)測，具體而言，涉及一種風電塔筒的狀態(tài)監(jiān)測方法及模塊化組裝結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、風電塔筒就是風力發(fā)電的塔桿，在風力發(fā)電機組中主要起支撐作用，同時吸收機組振動。對風電塔筒的安裝是十分嚴格的，以保證能夠發(fā)揮穩(wěn)定支撐的作用，因而對于塔筒安裝的垂直度、圓度、平面度以及焊縫的質(zhì)量情況都有嚴格的規(guī)定。當然，對風電塔筒的模塊化組裝也能夠大大提高安裝的效率，同時模塊化的組裝對于控制塔筒的受力情況有較大的影響。

2、對于風電塔筒由于支撐機組進行風力發(fā)電，因而在使用過程中會受到風力的作用，并由于葉輪的工作模式形成規(guī)律性的振動進而傳遞至塔筒，使得塔筒長期受到循環(huán)載荷的作用，因而風電塔筒最可能出現(xiàn)穩(wěn)定性問題的就是疲勞損傷。需要對塔筒進行實時的疲勞損傷監(jiān)測，以提前進行合理的維護。目前，也有許多針對塔筒疲勞損傷進行狀態(tài)監(jiān)控的方式方法，但大多都是統(tǒng)籌的進行循環(huán)載荷的提取來進行分析，并不能結(jié)合目標塔筒進行視情實時的分析，因而取得的結(jié)果是比較粗糙的。而對于維護工作來說，準確的維護時間不緊既能夠確保對塔筒的充分使用也能有效避免穩(wěn)定性的提前喪失。

3、因此，設(shè)計一種風電塔筒的狀態(tài)監(jiān)測方法及模塊化組裝結(jié)構(gòu)，通過集合塔筒的歷史疲勞數(shù)據(jù)來進行針對目標塔筒的視情實時疲勞分析，以為模塊化組裝的塔筒提供更加合理準確的維護參考時間，是目前亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種風電塔筒的模塊化組裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過模塊化的分段筒身設(shè)計方便了塔筒的運輸和安裝，大大提高了安裝和運輸效率，也降低了生產(chǎn)制造的成本。位移監(jiān)測器來對目標塔筒進行實時的形變監(jiān)測，進而提供實時準確的形變數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫能夠為分析提供充分的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進而確保所形成的初始疲勞分析模型的準確性和合理性，狀態(tài)監(jiān)測分析單元則在獲取位移監(jiān)測器采集的實時形變數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫提供的歷史疲勞數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上展開合理的針對目標塔筒的疲勞分析，形成更加準確合理的疲勞分析結(jié)果，進而為維護提供準確的參考，是實現(xiàn)對目標塔筒進行針對性結(jié)構(gòu)維護分析的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明的目的還在于提供一種風電塔筒的狀態(tài)監(jiān)測方法，通過基于同類型的塔筒的歷史疲勞數(shù)據(jù)，提取到針對目標塔筒的合理有效基礎(chǔ)循環(huán)載荷信息，進而建立起初步的疲勞分析模型，取得一個可靠的疲勞分析基礎(chǔ)模型和數(shù)據(jù)。同時，針對目標塔筒，提取目標塔筒的實時形變情況，并結(jié)合歷史疲勞數(shù)據(jù)分析出形變與疲勞損傷發(fā)生在塔筒上所存在的形變界限，進而針對目標塔筒實際形變信息對塔筒的疲勞分析模型進行更新，形成針對目標塔筒的實時疲勞分析模型，取得更加準確的疲勞維護參考時間，充分保證對塔筒有效的及時的進行維護。

3、第一方面，本發(fā)明提供一種風電塔筒的模塊化組裝結(jié)構(gòu)，包括分段筒體模塊，不同分段筒體模塊依次焊接組裝形成塔筒；位移監(jiān)測器，位移監(jiān)測器設(shè)置于塔筒的不同監(jiān)測點，用于獲取不同監(jiān)測點的形變數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)庫單元，設(shè)置于塔筒中，用于存儲同類型塔筒的歷史疲勞數(shù)據(jù)；狀態(tài)監(jiān)測分析單元，用于獲取歷史數(shù)據(jù)庫中的歷史疲勞數(shù)據(jù)，建立塔筒初始疲勞模型，采集位移監(jiān)測器的形變數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史疲勞數(shù)據(jù)進行形變分析，形成實時形變分析結(jié)果數(shù)據(jù)，并根據(jù)實時形變分析結(jié)果數(shù)據(jù)，并結(jié)合塔筒初始疲勞模型進行維護分析，形成目標維護數(shù)據(jù)。

4、在本發(fā)明中，該系統(tǒng)通過模塊化的分段筒身設(shè)計方便了塔筒的運輸和安裝，大大提高了安裝和運輸效率，也降低了生產(chǎn)制造的成本。位移監(jiān)測器來對目標塔筒進行實時的形變監(jiān)測，進而提供實時準確的形變數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫能夠為分析提供充分的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進而確保所形成的初始疲勞分析模型的準確性和合理性，狀態(tài)監(jiān)測分析單元則在獲取位移監(jiān)測器采集的實時形變數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫提供的歷史疲勞數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上展開合理的針對目標塔筒的疲勞分析，形成更加準確合理的疲勞分析結(jié)果，進而為維護提供準確的參考，是實現(xiàn)對目標塔筒進行針對性結(jié)構(gòu)維護分析的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

5、作為一種可能的實現(xiàn)方式，位移監(jiān)測器設(shè)置于不同分段筒體模塊的兩端，且同一端上的不同位移監(jiān)測器位于同一水平面上。

6、在本發(fā)明中，位移監(jiān)測器設(shè)置在分段筒體模塊的兩端，可以準確的測定出不同筒體模塊的形變量，且考慮不同筒體模塊之間的焊接位置是發(fā)生形變最劇烈的位置，設(shè)置在附近可以準確的獲取到形變數(shù)據(jù)。

7、作為一種可能的實現(xiàn)方式，分段筒體模塊的一端端面上均勻間隔開設(shè)有定位孔，另一端端面上均勻間隔設(shè)置有定位銷，相鄰分段筒體通過所述定位孔和定位銷配合實現(xiàn)定位裝配。

8、在本發(fā)明中，使用定位孔和定位銷在快速實現(xiàn)定位裝配的同時也能夠有效的傳遞振動，使裝配后的塔筒整體進行受力。

9、第二方面，本發(fā)明提供一種風電塔筒的狀態(tài)監(jiān)測方法，包括獲取同類型塔筒的歷史疲勞數(shù)據(jù)，并根據(jù)歷史疲勞數(shù)據(jù)建立塔筒初始疲勞模型；采集目標塔筒的實時形變數(shù)據(jù)，并根據(jù)歷史疲勞數(shù)據(jù)進行形變分析，形成實時形變分析結(jié)果數(shù)據(jù)；根據(jù)實時形變分析結(jié)果數(shù)據(jù)，并結(jié)合塔筒初始疲勞模型進行維護分析，形成目標維護數(shù)據(jù)。

10、在本發(fā)明中，該方法通過基于同類型的塔筒的歷史疲勞數(shù)據(jù)，提取到針對目標塔筒的合理有效基礎(chǔ)循環(huán)載荷信息，進而建立起初步的疲勞分析模型，取得一個可靠的疲勞分析基礎(chǔ)模型和數(shù)據(jù)。同時，針對目標塔筒，提取目標塔筒的實時形變情況，并結(jié)合歷史疲勞數(shù)據(jù)分析出形變與疲勞損傷發(fā)生在塔筒上所存在的形變界限，進而針對目標塔筒實際形變信息對塔筒的疲勞分析模型進行更新，形成針對目標塔筒的實時疲勞分析模型，取得更加準確的疲勞維護參考時間，充分保證對塔筒有效的及時的進行維護。

11、作為一種可能的實現(xiàn)方式，獲取同類型塔筒的歷史疲勞數(shù)據(jù)，并根據(jù)歷史疲勞數(shù)據(jù)建立塔筒初始疲勞模型，包括：對歷史疲勞數(shù)據(jù)，提取不同塔筒的疲勞振動數(shù)據(jù)并進行基于時長的對比分析，確定出初始有效振動頻率，包括：對歷史疲勞數(shù)據(jù)，提取發(fā)生疲勞損傷的塔筒在使用期間基于時間維度順序所受的振動頻率數(shù)據(jù)，形成疲勞塔筒受振頻率數(shù)據(jù)；根據(jù)疲勞塔筒受振頻率數(shù)據(jù)，確定出不同塔筒下振動頻率在整個塔筒使用期間時間占比最長的頻率值；根據(jù)不同塔筒對應的時間占比最長的頻率值，進行振幅的數(shù)值比較確定出時間占比最大的頻率值，并標記為初始有效振動頻率；根據(jù)初始有效振動頻率，建立疲勞分析初始模型，并確定出初始疲勞有效數(shù)據(jù)；對疲勞分析初始模型進行基于非振動時長的影響分析，確定出有效靜止時長數(shù)據(jù)。

12、在本發(fā)明中，利用歷史疲勞數(shù)據(jù)來建立合理的初始疲勞分析模型，首先獲取的大數(shù)據(jù)應該是至少在基礎(chǔ)的三維模型上是相同的塔筒的疲勞數(shù)據(jù)，畢竟不同的結(jié)構(gòu)模型會導致疲勞分析結(jié)果的大相徑庭，畢竟疲勞損傷也是要受到結(jié)構(gòu)形式的影響的。其次，塔筒產(chǎn)生疲勞的根本原因是塔筒受到了循環(huán)載荷的影響，長時間的作用造成疲勞損傷，所以對于塔筒疲勞產(chǎn)生的來源需要明確。這里需要說明的是，對于造成塔筒疲勞的循環(huán)載荷首先需要達到一定的程度，這個程度可以參考循環(huán)載荷的頻率、幅值以及時長。對于塔筒來說，其主要的循環(huán)載荷來自于葉輪和機組工作時產(chǎn)生的振動，而外界環(huán)境諸如風，一方面由于風對塔筒的影響是通過葉輪來傳遞的，另一方面自然界的風并非呈現(xiàn)明顯的周期性，同時風在不同方向上的影響也會在形變量上體現(xiàn)，而本技術(shù)在對疲勞分析模型進行分析時是考慮了形變影響的，因而這里只考慮葉輪和機組產(chǎn)生的周期性振動所形成的循環(huán)載荷對塔筒的影響。當然，可以理解的是，循環(huán)載荷的長期作用會使得塔筒發(fā)生疲勞，循環(huán)載荷的載荷量大小是重要的一個因素，同時實際情況下這種振動也并非連續(xù)的，會存在葉輪和機組未發(fā)電情況下的靜止時長，這種靜止時長雖然沒有循環(huán)載荷的影響，但因而其使得循環(huán)載荷出現(xiàn)不連續(xù)的情況影響了循環(huán)載荷的持續(xù)影響，需要進行合理的考慮。初始有效振動頻率的確定考慮大數(shù)據(jù)下取得，就需要確定出最明顯的對疲勞有高度影響的振動參數(shù)?？梢岳斫獾氖牵诖髷?shù)據(jù)下，發(fā)生疲勞損傷的塔筒，雖然在整個使用過程中會有不用參數(shù)量的振動發(fā)揮作用，但畢竟作用時間最長的最有效。同時，考慮振動幅值對疲勞的影響，在提取到的不同塔筒下的時長占比最大的受振頻率后，振幅越大的對塔筒產(chǎn)生疲勞的影響也越大，因而將振動幅值最大的受振頻率作為最后的初始有效振動頻率，使得所建立的初始疲勞分析模型的受振參數(shù)輸入更加合理有效，保證取得的分析結(jié)果的合理性和有效性。

13、作為一種可能的實現(xiàn)方式，根據(jù)初始有效振動頻率，建立疲勞分析初始模型，并確定出初始疲勞有效數(shù)據(jù)，包括：獲取塔筒模型，并以初始有效振動頻率為振動輸入，建立疲勞分析初始模型；對疲勞分析初始模型進行基于初始有效振動頻率下的全時長疲勞振動分析，確定出塔筒模型發(fā)生疲勞損傷的初始疲勞發(fā)生時長t0；根據(jù)初始疲勞發(fā)生時長t0和初始有效振動頻率的振動函數(shù)g0，確定出疲勞分析初始模型在初始有效振動頻率下全時長振動發(fā)生疲勞損傷的初始等效疲勞積累量w0，其中：

14、在本發(fā)明中，對于疲勞損傷來說，是塔筒受振后材料的損傷積累，考慮這種損傷積累是通過循環(huán)載荷所產(chǎn)生的，因而基于疲勞模型的損傷分析，可以通過建立一個疲勞累積量來進行疲勞損傷發(fā)生條件的衡量。而這種疲勞累積量的衡量方式就可以通過在發(fā)生疲勞的整個全時長振動下的振動量累積來進行。這樣對疲勞損傷進行合理的量化，有利于對目標塔筒結(jié)合實際受振情況進行更加準確的疲勞累積分析，確定出更加準確的維護參考時間。

15、作為一種可能的實現(xiàn)方式，對疲勞分析初始模型進行基于非振動時長的影響分析，確定出有效靜止時長數(shù)據(jù)，包括：設(shè)定時間段步長，以時間段步長依次確定在初始疲勞發(fā)生時長t0上的不同時間點，并標記為靜止時長插入時間點n；對不同的靜止時長插入時間點n，在疲勞分析初始模型的振動輸入中逐漸的增加插入時長，直至插入的時長對初始疲勞發(fā)生時長t0產(chǎn)生影響，則將影響初始疲勞發(fā)生時長t0最小的時長確定為靜止時長插入時間點對應的最小有效靜止時長以及靜止時長對初始疲勞發(fā)生時長t0的靜止時長疲勞影響量其中：αn表示不同靜止時長插入時間點對應的疲勞靜止時長影響因子，為靜止時長插入時間點n上對應插入的總時長，且

16、在本發(fā)明中，疲勞分析初始模型所建立的輸入?yún)?shù)是全時長下的振動參數(shù)，即塔筒模型持續(xù)的受到振動而發(fā)生疲勞損傷的時長。而實際情況下，振動并非持續(xù)的，會因為不工作而停止，這種停止造成了振動的不連續(xù)，因而需要考慮這種靜止狀態(tài)對疲勞損傷的影響。這里通過以時段步長為時間分析點的選擇來進行振動不聯(lián)系時靜止時長量對疲勞損傷的影響分析。可以理解的是，無論在任何的時間點上，較短的靜止時長不會對疲勞產(chǎn)生實質(zhì)的影響，因而在每個時間點上進行靜止時長的插入時，就需要持續(xù)的增加靜止時長來找到對疲勞損傷有影響的最小界限點。同時不同的時間點介入靜止時長對破壞振動的連續(xù)是有不同影響的，這種影響也反應在疲勞損傷的時長上，所以建立時間點上的靜止時長量對疲勞損傷產(chǎn)生時長的影響關(guān)系是必要的，這種影響關(guān)系通過靜止時長發(fā)揮作用的量與總的靜止時長量的比值建立關(guān)系表達會更加直接明顯。

17、作為一種可能的實現(xiàn)方式，采集目標塔筒的實時形變數(shù)據(jù)，并根據(jù)歷史疲勞數(shù)據(jù)進行形變分析，形成實時形變分析結(jié)果數(shù)據(jù)，包括：對歷史疲勞數(shù)據(jù)，提取發(fā)生疲勞損傷的塔筒在使用期間發(fā)生疲勞損傷時不同監(jiān)測點的形變數(shù)據(jù)，形成疲勞塔筒形變監(jiān)測數(shù)據(jù)；根據(jù)疲勞塔筒數(shù)據(jù)，提取未發(fā)生疲勞損傷的塔筒在使用期間發(fā)生疲勞損傷時不同監(jiān)測點的形變數(shù)據(jù)，形成正常塔筒形變監(jiān)測數(shù)據(jù)；根據(jù)疲勞塔筒形變監(jiān)測數(shù)據(jù)和正常塔筒形變監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定出目標塔筒的不同監(jiān)測點上對應的允許形變量信息；對目標塔筒上的不同監(jiān)測點的實時形變量，提取對應監(jiān)測點位置上的允許形變量信息，進行以下對比分析：若實時形變量不超過對應的允許形變量信息，則形成正常形變結(jié)果；若實時形變量超過對應的允許形變量信息，則形成形變維護結(jié)果。

18、在本發(fā)明中，獲取到初始的疲勞模型后就需要基于初始疲勞模型針對目標塔筒進行合理的疲勞分析了，而要使分析具有針對性，就需要向疲勞模型中輸入個性化的參數(shù)，而影響疲勞損傷的參數(shù)最重要的就是材料的性能，這種性能通過是否發(fā)生塑性變形能夠更加直觀的表達。所以監(jiān)測目標塔筒的實際形變是十分重要的，且還需要考慮形變是否發(fā)展到對疲勞損傷有強烈的影響。這種影響可以通過歷史疲勞數(shù)據(jù)來進行準確合理的判斷，即一定程度的非彈性形變可能對疲勞損傷沒有顯著影響，達到一定值才會有明顯的影響，對允許量進行界定能夠更加準確的對初始疲勞模型的輸入進行更新。

19、作為一種可能的實現(xiàn)方式，根據(jù)實時形變分析結(jié)果數(shù)據(jù)，并結(jié)合塔筒初始疲勞模型進行維護分析，形成目標維護數(shù)據(jù)，包括：當實時形變分析結(jié)果均為正常形變結(jié)果，則根據(jù)不同監(jiān)測點上的實時形變量對塔筒初始疲勞模型中的塔筒模型進行材料更新，形成塔筒實時疲勞模型；根據(jù)塔筒實時疲勞模型，進行實時維護分析，形成實時維護信息；當實時形變分析結(jié)果存在形變維護結(jié)果，則獲取實時形變量超過對應的允許形變量信息的監(jiān)測點進行形變維護后的維護信息，并結(jié)合其他監(jiān)測點的實時形變量對塔筒初始疲勞模型中的塔筒模型進行更新，形成塔筒實時疲勞模型；根據(jù)塔筒實時疲勞模型，進行實時維護分析，形成實時維護信息。

20、在本發(fā)明中，對于不同的形變情況，目標塔筒是需要進行形變的維護的。如果形變均屬于允許的正常范圍就不需要進行形變維護的考慮。對于形變超出了允許的量值范圍，就需要進行形變維護，而維護后對目標塔筒的結(jié)構(gòu)模型會產(chǎn)生影響，因而需要考慮這種維護對調(diào)整更新初始疲勞模型的影響，保證疲勞分析的合理性和準確性。

21、作為一種可能的實現(xiàn)方式，根據(jù)塔筒實時疲勞模型，進行實時維護分析，形成實時維護信息，包括：對目標塔筒，確定出從投入使用到當前時間點整個實時使用時長上的實時振動時長；對實時振動時長進行時間段步長的劃分，并確定出在每個時間段步長下出現(xiàn)的靜止時長超過對應的最小有效靜止時長的時間點，并記錄對應的實時有效靜止總時長k表示在實時振動時長下不同的時間段步長的編號；根據(jù)初始等效疲勞積累量w0，并結(jié)合塔筒實時疲勞模型更新的次數(shù)m，建立以下實時等效疲勞積累量公式：

22、其中，tm表示在當前時間點之前疲勞模型更新后到下一次更新所花費的全時段振動時長，gm-1表示疲勞模型第m次更新后輸入的振動函數(shù)；根據(jù)實時等效疲勞積累量公式，確定實時疲勞發(fā)生總時長toccur，其中：

23、其中，當k＝n時，αk＝αn，設(shè)定疲勞維護因子β，并根據(jù)實時疲勞發(fā)生總時長toccur以及目標塔筒的總運行時長twork，進行以下分析判斷：若twork＜toccur*β，則形成使用正常信息；若twork≥toccur*β，則形成疲勞維護信息，并輸入塔筒實時疲勞模型的分析結(jié)果。

24、在本發(fā)明中，基于實時形變數(shù)據(jù)更新疲勞分析模型后，如何進行疲勞損傷發(fā)生時長的確定是十分重要的?？梢岳斫?，在目標塔筒使用過程中，最開始的狀態(tài)貼近于初始疲勞模型，只是需要插入實際的靜止時長，截止到目標塔筒目前的使用時長，已經(jīng)發(fā)生的使用時長其形變量的情況和靜止時長的情況都是確定的，這樣一方面可以基于形變量監(jiān)測到的變化數(shù)據(jù)更新疲勞分析模型，同時敲定更新分析模型前后的時長，另一方面也能確定出靜止時長的情況，這里需要說明，對于靜止時長一方面所建立的靜止時長與疲勞損傷的發(fā)生時長的關(guān)系是針對初始模型的，因而實際獲取的靜止時長對疲勞損傷發(fā)生時長的影響也應該從初始模型的疲勞發(fā)生時長取得，另一方面是靜止時長在提取關(guān)系的時候是以時間插入點為基礎(chǔ)進行的，可以考慮在時間點附近前后允許的時間偏移量上靜止時長對疲勞損傷發(fā)生時長的影響是相同的，因而以時間點的靜止時長影響疲勞損傷的發(fā)生時長關(guān)系涵蓋到下一個插入時間點的時間段，即在這個插入時間點到下一個插入時間點之間的時間段上產(chǎn)生的靜止時長對疲勞損傷發(fā)生時長的影響是相同的。同時為了避免同一個時間段出現(xiàn)不同時間點的靜止時長，可以根據(jù)實際情況調(diào)整時間段步長。以疲勞累積量來進行目標塔筒發(fā)生疲勞損傷的時長確定，使得所有分析具有統(tǒng)一性，且由于累積量是大數(shù)據(jù)分析所取得模型的分析結(jié)果，因而實際疲勞發(fā)生時長是準確合理的。當然，維護時長必然要短于疲勞損傷發(fā)生時長，所以通過疲勞維護因子可以適應性的進行維護時長的確定，進而保證更加合理的維護作業(yè)。

25、本發(fā)明提供的一種風電塔筒的狀態(tài)監(jiān)測方法及模塊化組裝結(jié)構(gòu)的有益效果有：

26、該方法通過基于同類型的塔筒的歷史疲勞數(shù)據(jù)，提取到針對目標塔筒的合理有效基礎(chǔ)循環(huán)載荷信息，進而建立起初步的疲勞分析模型，取得一個可靠的疲勞分析基礎(chǔ)模型和數(shù)據(jù)。同時，針對目標塔筒，提取目標塔筒的實時形變情況，并結(jié)合歷史疲勞數(shù)據(jù)分析出形變與疲勞損傷發(fā)生在塔筒上所存在的形變界限，進而針對目標塔筒實際形變信息對塔筒的疲勞分析模型進行更新，形成針對目標塔筒的實時疲勞分析模型，取得更加準確的疲勞維護參考時間，充分保證對塔筒有效的及時的進行維護。

27、該結(jié)構(gòu)通過模塊化的分段筒身設(shè)計方便了塔筒的運輸和安裝，大大提高了安裝和運輸效率，也降低了生產(chǎn)制造的成本。位移監(jiān)測器來對目標塔筒進行實時的形變監(jiān)測，進而提供實時準確的形變數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫能夠為分析提供充分的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進而確保所形成的初始疲勞分析模型的準確性和合理性，狀態(tài)監(jiān)測分析單元則在獲取位移監(jiān)測器采集的實時形變數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫提供的歷史疲勞數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上展開合理的針對目標塔筒的疲勞分析，形成更加準確合理的疲勞分析結(jié)果，進而為維護提供準確的參考，是實現(xiàn)對目標塔筒進行針對性結(jié)構(gòu)維護分析的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。