本發(fā)明涉及一種風力機葉片全尺寸測試過程中結(jié)構(gòu)監(jiān)測和異常識別方法，具體涉及一種風力機葉片全尺寸測試過程中基于精細化逆有限元的結(jié)構(gòu)監(jiān)測和異常識別方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、風能，作為一種可再生能源，其開發(fā)利用在將世界電力供應從化石能源轉(zhuǎn)向清潔能源以應對氣候變化方面發(fā)揮著越來越重要的作用，是如期實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的重要舉措。由于海上風電具有風能儲量大、低風切變、低湍流、環(huán)境和噪音污染小、不占用土地、距離負荷中心更近等一系列優(yōu)點，近年來我國海上風電行業(yè)發(fā)展迅猛。根據(jù)全球風能理事會(global?wind?energy?council,gwec)的統(tǒng)計結(jié)果：2022年全球風電總裝機容量已達906gw，其中海上占64.3gw，并將在2032年底增至447gw。2024年最新下線的超大型葉片長達140m，風輪直徑更是達到了292m，刷新了全球紀錄。風力機葉片正朝著超長柔性方向發(fā)展。

2、風力機葉片結(jié)構(gòu)復雜，包括了主梁、腹板、小腹板、葉根螺栓、c型連接件、蒙皮、前緣、尾緣、ud、結(jié)構(gòu)膠、芯材等關(guān)鍵部件，主要采用的材料有玻璃纖維、碳纖維、多軸布、雙軸布、單軸布、巴沙木等，工藝有拉擠板和真空灌注等，制造、運輸、工作過程中往往會形成裂紋、層間剪切、層間分層、纖維破裂、樹脂與纖維的分離、降解和溶解等損傷。其損傷往往造成重大的葉片自身造價和施工費用損失。

3、iec?61400和dnv(gl)等行業(yè)系列標準規(guī)定了風力機葉片在通過型號認證前，必須要經(jīng)過全尺寸試驗，目前行業(yè)內(nèi)常開展的有正向揮舞、反向揮舞、正向擺振、反向擺振及相應的疲勞試驗。目前全尺寸試驗普遍采用基于應變片的結(jié)構(gòu)檢測方法，少量采用了光纖光柵監(jiān)測方法。然而這些方法的測點多、成本高、周期長、可獲得的數(shù)據(jù)相對少。具體來說，測點高達數(shù)百個，鋪設(shè)應變片的人工成本高；單個型號葉片全尺寸試驗上百萬元；持續(xù)時間長達數(shù)月；相對來說，主要測試數(shù)據(jù)為承載力和剛度等，更缺乏扭轉(zhuǎn)剛度等重要參數(shù)的有效測試手段。

4、逆有限元方法在結(jié)構(gòu)監(jiān)測中具有許多優(yōu)勢，包括：(1)無需先驗知識，其他形狀感知技術(shù)(如ko位移理論方法與模態(tài)方法)需要提前獲取風力機葉片的模態(tài)特征、載荷數(shù)據(jù)與材料特性等參數(shù)，而逆有限元方法則無需事先獲取相關(guān)信息；(2)實時監(jiān)測，逆有限元方法結(jié)合傳感器實時采集的應變數(shù)據(jù)，可以及時監(jiān)測風力機葉片的狀態(tài)和性能變化，有助于發(fā)現(xiàn)潛在問題并進行預防性維護；(3)全局信息獲取,通過逆有限元方法，可以從風力機葉片的離散應變數(shù)據(jù)中獲取結(jié)構(gòu)的全局信息，實現(xiàn)葉片位移場與應變場的全局重建，有助于全面評估風力機葉片的健康狀況；準確性高，逆有限元方法通過數(shù)學模型和優(yōu)化算法，可以精確地反推風力機葉片的結(jié)構(gòu)特性，提高了監(jiān)測結(jié)果的準確性和可靠性。(4)無損檢測，逆有限元方法不需要對風力機葉片進行破壞性檢測，只需通過傳感器采集葉片的應變數(shù)據(jù)，因此是一種無損檢測方法，不會對葉片的結(jié)構(gòu)造成額外的損傷；(5)數(shù)據(jù)驅(qū)動：逆有限元方法是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的技術(shù)，可以根據(jù)實測數(shù)據(jù)來調(diào)整模型參數(shù)，更好地反映風力機葉片的實際狀態(tài)，適應不同工況和環(huán)境變化。

5、逆有限元結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法在風機葉片中尚未有實際應用。在少量的相關(guān)文獻和專利中，主要采用重構(gòu)圖像識別并輔助于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識別算法模型損傷檢測訓練開展風力機葉片損傷檢測。然而,(1)目前超長柔性風力機葉片長度已接近130米，而單一鋪層厚度為毫米量級，損傷大小為次毫米量級，行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有有限元模型節(jié)點數(shù)為百萬量級。如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法進行大量有限元正計算并對逆有限元計算結(jié)果進行校準，需要考慮裂紋、層間剪切、層間分層、纖維破裂、樹脂與纖維的分離、降解和溶解等損傷多種形式多種程度的損傷并形成數(shù)據(jù)集，計算量將為天文數(shù)字，難以實現(xiàn)實時監(jiān)測和異常識別。(2)現(xiàn)有針對風力機葉片形狀感知的逆有限元方法主要基于板殼理論，該方法需要在風力機葉片正反兩面都監(jiān)測應變才能進行形狀感知。然而，超長柔性風力機葉片外部敷設(shè)應變片或光纖等測試裝置困難，同時也會對風力機葉片的氣動特性造成影響。(3)風力機葉片本身為復合材料結(jié)構(gòu)，擁有多種鋪層，并由蒙皮、芯材、主梁等多種復合結(jié)構(gòu)組成，單一圖像識別方法只能夠?qū)︼L力機葉片內(nèi)外表面的應變場和位移場進行重構(gòu)，無法考慮前緣、尾緣、結(jié)構(gòu)膠等細部結(jié)構(gòu)的損傷和復雜受力模式。(4)圖像識別類方法難以解決行業(yè)內(nèi)目前面臨的扭轉(zhuǎn)剛度測不準，出現(xiàn)應變異常時難以判斷準確原因等關(guān)鍵難題，特別是難以考慮風力機葉片預彎、預扭、細部結(jié)構(gòu)損傷、材料交界處特性突變、夾具不緊、預緊力沒有達到設(shè)計指標等問題。(5)現(xiàn)有針對風力機葉片損傷監(jiān)測的逆有限元方法需要規(guī)則布置傳感器，在葉尖等人員難以進入的地方是難以實現(xiàn)的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種風力機葉片全尺寸測試過程中基于精細化逆有限元的結(jié)構(gòu)監(jiān)測和異常識別方法及系統(tǒng)，本發(fā)明可實現(xiàn)大幅減少用于校準的正向有限元計算量，減少正反兩面都需要鋪設(shè)的應變片或光纖應變傳感器數(shù)量，減少所需三向應變片數(shù)量，可以在彎扭耦合等復雜受力模式下識別細部結(jié)構(gòu)和材料損傷。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明的風力機葉片全尺寸測試過程中基于精細化逆有限元的結(jié)構(gòu)監(jiān)測和異常識別方法，包括如下步驟：

4、步驟1，利用有限元模擬風力機葉片全尺寸測試過程中傳遞至風力機葉片的各種載荷，并采用載荷映射方法，對風力機葉片進行多尺度精細化分析，并得到風力機葉片在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的三維應變場和位移場；

5、步驟2，針對各加載水平多尺度三維精細化分析，實現(xiàn)對各葉片部件受力模式的預分類，并針對不同部件的不同受力模式，確定對應的監(jiān)測方案，進行全尺寸測試實驗；

6、步驟3，針對不同的監(jiān)測方案，采用不同的逆有限元計算模塊，提取剛度矩陣與逆有限元計算模塊進行耦合，對風力機葉片的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，求解得到風力機葉片三維應變場和位移場；

7、步驟4，結(jié)合有限元分析結(jié)果與逆有限元監(jiān)測結(jié)果的空間相關(guān)性，利用數(shù)值優(yōu)化方法精確識別和定位風力機葉片的具體損傷位置；此外，通過利用有限元分析得到的模擬數(shù)據(jù)和逆有限元監(jiān)測得到的實測數(shù)據(jù)能夠直接求解風力機葉片的扭轉(zhuǎn)剛度。

8、上述技術(shù)方案中，進一步的，步驟1中所述的所述的載荷映射方法具體包括：

9、在葉根坐標系下，根據(jù)由分布力引起的內(nèi)力和彎矩總和與氣動彈性響應計算結(jié)果一致的原則建立平衡條件，將加載方向上的葉片梁模型設(shè)計載荷映射在殼體有限元模型的表面所有節(jié)點上；并假設(shè)節(jié)點力在擺振和揮舞方向上呈線性分布，而軸向力呈均勻分布。通過在全尺寸測試加載載荷映射方法，實現(xiàn)風力機葉片全尺寸測試過程中多尺度精細化分析。通過參數(shù)化分析程序，能夠精細化預測加載過程中主梁、腹板、小腹板、葉根螺栓、c型連接件、蒙皮、前緣、尾緣、ud、結(jié)構(gòu)膠、芯材等關(guān)鍵部件的位移、應變和應力,特別是復合材料內(nèi)部的層間剪切應力，扭轉(zhuǎn)導致剪力等?？紤]風力機葉片的預彎、預扭和三維精細化有限元模型，并提取剛度矩陣，并儲存于計算機的內(nèi)存中，用于后續(xù)正演結(jié)果的快速實時計算。

10、進一步的，步驟2中針對各加載水平多尺度三維精細化分析，實現(xiàn)對各風力機葉片部件受力模式的預分類，并在此基礎(chǔ)上開展應變監(jiān)測方案的精細化設(shè)計。如主梁主要為純彎受力模式，在風力機葉片外側(cè)采用單向應變監(jiān)測方案；如前緣尾緣存在較強的扭剪力，在風力機葉片內(nèi)側(cè)和外側(cè)采用三向應變監(jiān)測布點。監(jiān)測設(shè)備選用應變片或光纖；其中采用光纖采集沿風力機葉片展向的連續(xù)應變數(shù)據(jù)；采用應變片采集離散應變數(shù)據(jù)，另外采用插值算法進行沿展向路徑應變的生成；應變測量設(shè)備應布置在風力機葉片同一位置的內(nèi)側(cè)與外側(cè)，針對風力機葉片上無法在葉片內(nèi)側(cè)布置傳感器的位置，采取內(nèi)表面應變數(shù)據(jù)與外表面相同的假設(shè)。進一步的，在三維精細化分析的基礎(chǔ)上，還可融入復合材料損傷準則，提出復合材料損傷判定因子，根據(jù)損傷判定因子細化監(jiān)測方案。如最大弦長處，損傷因子通常較大，則細化此處的監(jiān)測方案。所使用的失效準則包括，hashin失效準則、tsai-wu失效準則、puck失效準則、hoffman失效準則、christensen失效準則、azzi-tsai-hill失效準則，可以對參數(shù)進行微調(diào)，同時不局限于某一類失效準則，具有極強的可擴展性和靈活性。

11、進一步的，針對不同的監(jiān)測方案，采用不同的逆有限元計算模塊，如主梁為純彎逆有限元計算模塊，前緣尾緣采用彎剪扭逆有限元計算模塊，提出不同逆有限元計算模塊耦合計算方法。對于純彎模塊，采用單向應變測點，對除主應變方向之外方向取權(quán)重系數(shù)為一小數(shù)，對彎剪扭耦合模塊，采用三向應變測點，取權(quán)重系數(shù)為1。根據(jù)監(jiān)測方案中的監(jiān)測布點，建立逆有限元剛度矩陣的預存儲方法，并儲存于計算機的內(nèi)存中，實現(xiàn)風力機葉片三維應變場和位移場的逆有限元快速實時計算。

12、進一步的，該方法可直接用于求解超長柔性風力機葉片扭轉(zhuǎn)剛度。由于扭轉(zhuǎn)難以精確控制加載角度的原因，當前超長柔性風力機葉片扭轉(zhuǎn)剛度的測試是行業(yè)面臨的重大難題。實測數(shù)據(jù)和精細有限元數(shù)據(jù)模擬存在較大誤差，甚至不同次測試也會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)剛度不同的情況。同時，結(jié)合高精度有限元計算與逆有限元分析的空間相關(guān)性算法，精確識別和定位風力機葉片的具體損傷位置。

13、通過對損傷定位分析的進一步深化，利用數(shù)值優(yōu)化方法如最小二乘法和正則化理論，以及空間相關(guān)性技術(shù)來精確評估損傷的類型、位置和尺寸，為風力機葉片的維修和強化提供科學依據(jù)。

14、首先通過有限元分析獲得風力機葉片在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的應變場εsim和位移場usim。

15、而后開展全尺寸測試，并通過逆有限元實現(xiàn)實際測試過程中三維應變場εmeas或位移場umeas。

16、比較模擬應變場和實測應變場，計算差異δε：

17、δεi＝εmeas,i-εsim,i(ktorsion)，其中ktorsion為扭轉(zhuǎn)剛度。

18、定義目標函數(shù)j(ktorsion)來量化實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)之間的誤差：

19、j(ktorsion)＝∑i(εmeas,i-εsim,i(ktorsion))2。

20、目標為最小化j(ktorsion)以估計ktorsion。

21、使用優(yōu)化算法來最小化j(ktorsion)并估計ktorsion。假設(shè)使用梯度下降算法，則更新規(guī)則可以表示為：

22、

23、其中，α是步長，n是迭代步數(shù)，是關(guān)于j的梯度

24、由于風力機葉片結(jié)構(gòu)的復雜性和結(jié)構(gòu)的非線性，系統(tǒng)自由振動的復雜性增加，出現(xiàn)多種振動模態(tài)的疊加現(xiàn)象。上述逆有限元監(jiān)測方法得到了風力機葉片的三維位移場和應變場，在自由振動測試中可以用于監(jiān)測超長柔性風力機葉片的高階模態(tài)和阻尼比。

25、首先采用最小二乘法分析高精度有限元計算的位移場，逆有限元計算進行損傷定位，并用一個三維模型進行說明。高精度有限元計算位移場與逆有限元計算位移場分別為usim和umeas，x,y,z分別為空間坐標。

26、將高精度有限元計算結(jié)果usim(x,y,z)與逆有限元計算結(jié)果umeas(x,y,z)格式化為數(shù)值矩陣的形式。

27、使用以下公式計算空間互相關(guān)矩陣r(m,n,t)。

28、r(m,n,t)＝∑x∑y∑zusim(x,y,z)·umeas(x+m,y+n,z+t)。

29、其中m,n,t分別代表測點的不同方向的相對位移，用于在空間內(nèi)對umeas數(shù)據(jù)進行平移，以測試和usim的相關(guān)性。

30、為了使得結(jié)果與位移的大小無關(guān)，使用歸一化空間互相關(guān)公式：

31、

32、其中互相關(guān)值ρ(m,n,t)值域在[-1,1]，值為1表示完全正相關(guān)，-1表示完全負相關(guān)，0表示無相關(guān)性。

33、檢查歸一化互相關(guān)矩陣，在互相關(guān)值較小的區(qū)域，尤其是接近于零或是負值的區(qū)域，這些區(qū)域可能意味著在usim和umeas之間存在較大的差異，這可能是由于風力機葉片在該區(qū)域的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了損傷，改變了該部分的位移響應。

34、通過對比互相關(guān)值的分布圖與結(jié)構(gòu)的幾何圖，可以對損傷進行定位。通過觀察互相關(guān)分布圖中低相關(guān)值出現(xiàn)的位置，并將這些位置映射到風力機葉片的幾何圖上。如果某個區(qū)域的位移分布與無損傷狀態(tài)相比確實也發(fā)生了顯著變化，則該區(qū)域可能是損傷區(qū)域。

35、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明結(jié)合精細化逆有限元分析與高效的應變監(jiān)測方案，為風力機葉片的全尺寸測試提供了一種創(chuàng)新、高效和準確的結(jié)構(gòu)監(jiān)測和異常識別方法。通過優(yōu)化的監(jiān)測設(shè)計和高精度的損傷識別算法，大幅提升了風力機葉片測試的效率和準確性。其中，由于風力機葉片精細化建模中對各個部件都進行了精細化建模，可以對單獨的部件進行空間互相關(guān)分析以定位損傷，以大量減少計算量。也可以對整體結(jié)構(gòu)進行相關(guān)分析與定位損傷。此外，本發(fā)明中使用空間相關(guān)性方法，不需要采用大量非物理假設(shè)，具有很強的適用性。