非傳統(tǒng)阻尼條件下海洋平臺(tái)阻尼損傷評(píng)估及試驗(yàn)研究結(jié)題摘要

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人及其科研團(tuán)隊(duì)，嚴(yán)格按照項(xiàng)目資助計(jì)劃書(shū)中約定的研究?jī)?nèi)容逐項(xiàng)開(kāi)展研究，整個(gè)項(xiàng)目按照預(yù)定計(jì)劃有序進(jìn)行，達(dá)到了預(yù)期研究目標(biāo)，未進(jìn)行調(diào)整和變動(dòng)。本項(xiàng)目針對(duì)項(xiàng)目計(jì)劃任務(wù)書(shū)研究?jī)?nèi)容，在模態(tài)振型直接擴(kuò)展方法、實(shí)測(cè)信號(hào)噪聲排除技術(shù)、平臺(tái)結(jié)構(gòu)非傳統(tǒng)阻尼特性識(shí)別方法，以及基于阻尼信息的海洋平臺(tái)損傷評(píng)估方法研究中取得顯著進(jìn)展。在本課題的資助下，先后在《Ocean Engineering》、《Journal of Vibroengineering》等國(guó)內(nèi)外刊物及重要學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表論文20篇，其中SCI論文9篇，EI論文15篇，參加國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議1次，培養(yǎng)研究生4名。授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)，授權(quán)軟件著作權(quán)3項(xiàng)。 2100433B

對(duì)進(jìn)入服役中后期的海洋平臺(tái)實(shí)施動(dòng)力檢測(cè)及評(píng)估是確保其安全運(yùn)行的重要手段；而基于剛度信息的損傷指標(biāo)對(duì)損傷位置不夠敏感，對(duì)損傷程度評(píng)估不夠準(zhǔn)確，限制了該類(lèi)方法的應(yīng)用。鑒于阻尼在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)較剛度變化還要明顯的特點(diǎn)，本項(xiàng)目旨在發(fā)展能夠敏感反映海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷位置及其程度的阻尼評(píng)估指標(biāo)體系，形成系統(tǒng)的基于海洋平臺(tái)非傳統(tǒng)阻尼特性的動(dòng)力檢測(cè)方法。因所研究的阻尼評(píng)估指標(biāo)是以相對(duì)準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)模態(tài)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并以事先掌握實(shí)測(cè)平臺(tái)的阻尼分布為模型基礎(chǔ)的，故需發(fā)展適用于海洋平臺(tái)的空間不完備處理方法及實(shí)測(cè)信號(hào)噪聲分離方法，用于提高實(shí)測(cè)模態(tài)精度；發(fā)展海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的阻尼特性識(shí)別方法，用于獲取平臺(tái)測(cè)試時(shí)刻的實(shí)際阻尼分布情況。所研究的空間不完備處理方法、實(shí)測(cè)信號(hào)噪聲分離方法以及阻尼特性識(shí)別方法，可為基于剛度信息的動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)提供精度更高的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)模型；將所發(fā)展的阻尼評(píng)估指標(biāo)與現(xiàn)有指標(biāo)相互補(bǔ)充，有望推進(jìn)工程應(yīng)用進(jìn)程。

阻尼繞組電流的間接測(cè)量法

受技術(shù)條件的限制，人們無(wú)法直接測(cè)量得到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的阻尼繞組電流，于是有人提出通過(guò)間接測(cè)量的方法來(lái)對(duì)阻尼繞組電流進(jìn)行研究。在大量的假設(shè)前提下，利用電機(jī)能夠?qū)崪y(cè)得到的直接數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算而間接地獲得了阻尼繞組電流的近似分布。利用這種間接測(cè)量法能夠定性的研究同步電機(jī)在各種工況下的阻尼繞組電流分布以及阻尼繞組電流對(duì)電機(jī)參數(shù)和性能所產(chǎn)生的影響。如在上世紀(jì)九十年代的文章中，作者就通過(guò)對(duì)一臺(tái)凸極同步電機(jī)的測(cè)量，分析了定子開(kāi)槽對(duì)阻尼繞組電流所帶來(lái)的影響。在2011年發(fā)表的文章中，作者利用間接測(cè)量法研究了阻尼繞組電路對(duì)多相同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的影響。間接測(cè)量法由于建立在大量假設(shè)與簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)之上，所得結(jié)果與實(shí)際值必然有所偏差，因此無(wú)法準(zhǔn)確模擬實(shí)際工況，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度不高。于是文章提出了利用無(wú)線(xiàn)測(cè)量的方法來(lái)獲得水輪發(fā)電機(jī)阻尼繞組電流。這種方-法相較間接測(cè)量法而言，具有更直接，更準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。但由于必須在發(fā)電機(jī)阻尼繞組內(nèi)預(yù)先埋置無(wú)線(xiàn)電流傳感器，因此只能針對(duì)特定電機(jī)進(jìn)行分析。

阻尼繞組電流的解析計(jì)算法

Walker和Kermis于1960年提出了一種脫離試驗(yàn)的阻尼繞組電流計(jì)算方法，在一定假設(shè)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)建立電機(jī)磁導(dǎo)的全解析數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了凸極同步電機(jī)在開(kāi)路狀態(tài)下的阻尼繞組電流，并分析了在阻尼繞組電流影響下的阻尼繞組所受電磁力諧波。這種解析的方法相對(duì)試驗(yàn)法有了很大的進(jìn)步。利用這種方法，人們可以在發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)測(cè)阻尼繞組電流及其產(chǎn)生的影響，進(jìn)而對(duì)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)電機(jī)交、直軸等效電路的引入，使阻尼繞組電流計(jì)算的方法向前邁進(jìn)了一步。Fuchs與Erdelyi在20世紀(jì)70年代陸續(xù)發(fā)表文章，通過(guò)等效電路將包括阻尼繞組在內(nèi)的發(fā)電機(jī)各繞組等效成交、直軸兩套等效繞組多回路，結(jié)合發(fā)電機(jī)的磁導(dǎo)解析模型，計(jì)算了阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對(duì)水輪發(fā)電機(jī)短路電流的影響。Canay于1975年發(fā)表文章，利用同樣的方法計(jì)算了汽輪發(fā)電機(jī)阻尼繞組電流及其對(duì)電機(jī)負(fù)序運(yùn)行所產(chǎn)生的影響。同年Neidhoefer與Bose對(duì)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組內(nèi)的負(fù)序電流及其產(chǎn)生的損耗進(jìn)行了計(jì)算與分析。20世紀(jì)80年代早期，李哲生學(xué)者利用這種交、直軸多回路與電機(jī)磁導(dǎo)解析模型相結(jié)合方法，計(jì)算分析了凸極同步電機(jī)的阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對(duì)的電機(jī)電勢(shì)與磁勢(shì)諧波所產(chǎn)生的影響。同一時(shí)期，趙鳳山與史乃等學(xué)者利用這種方法計(jì)算了水輪發(fā)電機(jī)在出現(xiàn)負(fù)載突然不對(duì)稱(chēng)時(shí)的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應(yīng)及其引起的溫度變化。1990年，KuHg、Buckley、Lambrecht等人以這種等效多回路的方法為基礎(chǔ)，提出了一種改進(jìn)的計(jì)算方法，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)出現(xiàn)各種內(nèi)、外短路故障或其他一些不正常運(yùn)行工況時(shí)的阻尼繞組電流進(jìn)行計(jì)算Mina M Rahimian分別于2009年和2011年發(fā)表文章，以計(jì)算阻尼繞組電流的解析法為基礎(chǔ)，提出了一種能夠用于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)同步電機(jī)內(nèi)阻尼繞組故障的方法。文章研究了具有雙層阻尼繞組結(jié)構(gòu)凸極同步電動(dòng)機(jī)的解析設(shè)計(jì)方法。文章提出了一種用于計(jì)算同步電機(jī)阻尼繞組參數(shù)的改進(jìn)解析法。文章利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)解析法計(jì)算了大型水輪發(fā)電機(jī)的阻尼繞組損耗。

解析法的思路主要是采用集中參數(shù)的“路”的方法，即假設(shè)電流或磁通沿確定的路徑流通，將復(fù)雜的場(chǎng)的分布現(xiàn)象簡(jiǎn)化成電路或磁路的問(wèn)題，并利用電路、磁路理論加以分析和解決。這種方法雖然在一定程度上解決了水輪發(fā)電機(jī)阻尼繞組電流的計(jì)算問(wèn)題，但由于無(wú)法準(zhǔn)確考量水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心開(kāi)槽、轉(zhuǎn)子磁極形狀以及磁場(chǎng)飽和等因素所產(chǎn)生的影響，因此阻尼繞組電流計(jì)算的準(zhǔn)確程度不尚。

阻尼繞組電流的數(shù)值計(jì)算法

早在1873年，Maxwell就己經(jīng)推導(dǎo)并總結(jié)出了用于表征電磁場(chǎng)特征的基本方程組。但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)內(nèi)存在多種形狀復(fù)雜的導(dǎo)電與導(dǎo)磁媒質(zhì)，且導(dǎo)磁媒質(zhì)材料還具有非線(xiàn)性的特點(diǎn)，因此在數(shù)值方法出現(xiàn)以前，能夠直接用Maxwell方程求解的電磁場(chǎng)問(wèn)題非常有限。隨著數(shù)值計(jì)算方法中的差分法、積分方程法和有限單元法(又叫有限元法）的陸續(xù)出現(xiàn)與引入，許多懸而未決的電機(jī)電磁場(chǎng)問(wèn)題都得到了順利解決，電機(jī)電磁場(chǎng)的研究也取得了極大的進(jìn)展。其中的有限元法自從被引入電磁場(chǎng)分析領(lǐng)域以來(lái)，如今已經(jīng)成為了電機(jī)工程領(lǐng)域內(nèi)最為有效，應(yīng)用最為廣泛的一種方法。

作為一種數(shù)值方法，有限兀法是把變分原理和剖分插值相結(jié)合用來(lái)求解數(shù)理方程的一種方法，適于利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。其基本思想于上世紀(jì)五十年代被提出，首先應(yīng)用在力學(xué)的研究領(lǐng)域，并在上世紀(jì)六十年代中期開(kāi)始被引入了電機(jī)電磁場(chǎng)的研究領(lǐng)域。由于有限元法具有單元剖分靈活、算法統(tǒng)一、通用等特點(diǎn)，因此適用于存在不同媒質(zhì)、不規(guī)則幾何形狀與邊界條件、非線(xiàn)性媒質(zhì)材料等條件的電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)，具有穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度高等方面的優(yōu)占1980年，鐘永琛學(xué)者利用有限元法就同步電機(jī)異步起動(dòng)過(guò)程中的阻尼繞組電流分布進(jìn)行了計(jì)算和研究。1983年Nitta T等人利用有限元的方法分析了電機(jī)內(nèi)由于次諧波的存在而引起的阻尼繞組電流。1994年Toader利用有限元法推導(dǎo)出氣隙磁導(dǎo)與磁動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)模型，并將其用于發(fā)電機(jī)阻尼繞組電流的解析計(jì)算中，同時(shí)計(jì)算了電機(jī)的空載和負(fù)載兩種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。較全解析法而言，這種將解析法與有限元法相結(jié)合的半解析方法，能夠更加準(zhǔn)確模擬的定子開(kāi)槽、磁極形狀以及磁場(chǎng)飽和等因素對(duì)氣隙磁導(dǎo)所產(chǎn)生的影響，使阻尼繞組電流的計(jì)算更加準(zhǔn)確。同年，Vetter、Reichert同樣將解析法與數(shù)值法相結(jié)合，計(jì)算了并網(wǎng)同步電機(jī)和外接逆變器的同步電機(jī)的阻尼繞組電流。1997年Silvio Ikuyo Nabeta利用有限元法研究了集膚效應(yīng)對(duì)同步電機(jī)阻尼繞組電流計(jì)算所產(chǎn)生影響。在2002年到2005年之間，Karmaker與Knight先后發(fā)表文章，建立包含電機(jī)相應(yīng)橫截面上所有阻尼繞組的繞組等效多回路，并稱(chēng)合氣隙磁導(dǎo)的有限元數(shù)學(xué)模型，對(duì)阻尼繞組電流及其附加損耗進(jìn)行了計(jì)算。清華大學(xué)孫宇光博士利用場(chǎng)路親合法計(jì)算了發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部短路時(shí)的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程。2006年Nica C等人中利用有限元法計(jì)算并研究了變頻器驅(qū)動(dòng)三相同步電機(jī)里的阻尼繞組電流受變頻器開(kāi)關(guān)頻率諧波所產(chǎn)生的影響。2008年，Keller利用場(chǎng)路稱(chēng)合法計(jì)算了轉(zhuǎn)子不平衡運(yùn)行工況時(shí)的阻尼繞組電流。文章釆用解析與數(shù)值相結(jié)合的方法，計(jì)算和分析了大功率凸極同步電機(jī)在異步起動(dòng)過(guò)程中的阻尼繞組電流的分布。2009年，文章計(jì)算了靜止變頻器起動(dòng)的抽水蓄能電站用發(fā)電電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的阻尼繞組電流及損耗。2010 年，Georg Traxler-Samek 對(duì) Karmaker 與 Knight 的模型作了進(jìn)一步優(yōu)化和完善。2012年，文章利用多回路稱(chēng)合有限元的方法，計(jì)算了同步發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組故障時(shí)阻尼繞組電流的瞬態(tài)響應(yīng)及其產(chǎn)生的附加損耗。文章分析了凸極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心對(duì)阻尼繞組電流及其附加損耗所產(chǎn)生的影響。

在計(jì)算阻尼繞組電流的過(guò)程中，本文還采用傳統(tǒng)方法，即利用解析法近似等效阻尼繞組端部的方法計(jì)算了該電機(jī)在同樣條件下的阻尼繞組電流。采用改進(jìn)方法計(jì)算所得的阻尼繞組電流波形與試驗(yàn)測(cè)量曲線(xiàn)非常接近，電流幅值略有不同，阻尼繞組電流幅值相差較大。采用傳統(tǒng)解析法處理端部的計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果幅值相差很大，且同樣是阻尼繞組電流的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差最大。這是因?yàn)樵诒疚牡挠?jì)算過(guò)程中雖然考慮了該電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心磁極壓板由于飽和所帶來(lái)的端部磁場(chǎng)非線(xiàn)性問(wèn)題，但由于阻尼繞組電流是交變的，端部磁場(chǎng)的局部飽和程度會(huì)隨電流的變化而發(fā)生改變，引起阻尼繞組回路的端部漏感也隨之發(fā)生變化，再加上勵(lì)磁繞組與電樞繞組對(duì)阻尼繞組回路端部的影響，使得在電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子端部磁場(chǎng)的非線(xiàn)性情況遠(yuǎn)比文中所顧及到的情況更為復(fù)雜。由此使得阻尼繞組電流的計(jì)算幅值與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定的偏差。阻尼繞組由于處在磁極中間位置，其所在回路內(nèi)磁極壓板的飽和情況受其他繞組端部磁場(chǎng)的影響最為嚴(yán)重，所以阻尼繞組電流的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差最大。采用傳統(tǒng)解析法處理端部的計(jì)算結(jié)果，由于未充分考慮到實(shí)際運(yùn)行中端部磁場(chǎng)的飽和程度及其復(fù)雜情況，因此計(jì)算準(zhǔn)確度很低。且同樣是阻尼繞組計(jì)算準(zhǔn)確度最低。盡管兩種方法的阻尼繞組電流幅值計(jì)算結(jié)果相差較大，但阻尼繞組電流基波頻率都為lOOHz，是電機(jī)主磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)頻率的2倍。這是由于發(fā)電機(jī)工作在不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行狀態(tài)，不對(duì)稱(chēng)的電樞繞組電流形成了負(fù)序磁場(chǎng)所造成的。雖然本章考慮端部磁場(chǎng)非線(xiàn)性的方法計(jì)算阻尼繞組電流的幅值與實(shí)測(cè)結(jié)果相比略有出入，但電流波形與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，足以證明所建數(shù)學(xué)模型及所用計(jì)算方法具有準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。 2100433B

阻尼一般可以分為3 類(lèi)：系統(tǒng)阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼以及材料阻尼。系統(tǒng)阻尼是在系統(tǒng)中設(shè)置專(zhuān)用阻尼減振器，如減振彈簧、沖擊阻尼器等。結(jié)構(gòu)阻尼是在系統(tǒng)的某一振動(dòng)結(jié)構(gòu)上附加材料或形成附加結(jié)構(gòu)，增加自身的阻尼能力。材料阻尼是材料本身所具有的阻尼特性，它代表了依靠材料本身的阻尼特性消耗機(jī)械振動(dòng)能的能力。與其它兩種阻尼相比，材料阻尼是最基本的阻尼形式 ，存在于各種材料之中。 探究材料內(nèi)部的微觀機(jī)理，尋求具有高阻尼的材料；在阻尼材料也有著大量的研究，比如像金屬橡膠這樣的各向異性材料、熱熔型阻尼材料、粘滯阻尼材料、各種復(fù)合阻尼材料等?？偟膩?lái)說(shuō)阻尼材料分為粘彈性阻尼材料、高阻尼合金以及復(fù)合阻尼材料三種，這些阻尼材料在很多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。研究材料的阻尼行為，開(kāi)發(fā)具有較高阻尼性能的結(jié)構(gòu)材料，對(duì)于解決由振動(dòng)造成的問(wèn)題具有十分重要的意義。對(duì)結(jié)構(gòu)件的材料阻尼特性進(jìn)行定量的測(cè)量及計(jì)算，能夠?yàn)闄C(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供十分重要的參考依據(jù)，因此材料阻尼特性測(cè)量是減振降噪技術(shù)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

最常用的材料阻尼測(cè)試方法，是參照國(guó)標(biāo)《GBT18258-2000 阻尼材料 阻尼性能測(cè)試方法》等阻尼測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，將被測(cè)材料制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣，通過(guò)激振器等激勵(lì)手段，激發(fā)試樣的阻尼振動(dòng)，獲得其共振響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出材料阻尼比。材料阻尼測(cè)試問(wèn)題可以歸結(jié)為系統(tǒng)辨識(shí)問(wèn)題，包括系統(tǒng)、激勵(lì)和響應(yīng)三個(gè)部分。在材料阻尼測(cè)試的問(wèn)題中，系統(tǒng)即是材料阻尼試樣本身，它的阻尼特性參數(shù)就是需要識(shí)別的系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)由我們給定，通常是瞬態(tài)的沖擊信號(hào)、或者持續(xù)激勵(lì)的掃頻信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)可以通過(guò)信號(hào)采集直接獲得。系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)就是材料阻尼試樣在被激勵(lì)之后的振動(dòng)信號(hào)，需要使用儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理 。