非傳統(tǒng)阻尼條件下海洋平臺阻尼損傷評估及試驗研究中文摘要

對進入服役中后期的海洋平臺實施動力檢測及評估是確保其安全運行的重要手段；而基于剛度信息的損傷指標對損傷位置不夠敏感，對損傷程度評估不夠準確，限制了該類方法的應用。鑒于阻尼在結構出現(xiàn)損傷時較剛度變化還要明顯的特點，本項目旨在發(fā)展能夠敏感反映海洋平臺結構損傷位置及其程度的阻尼評估指標體系，形成系統(tǒng)的基于海洋平臺非傳統(tǒng)阻尼特性的動力檢測方法。因所研究的阻尼評估指標是以相對準確的實測模態(tài)為數(shù)據(jù)基礎，并以事先掌握實測平臺的阻尼分布為模型基礎的，故需發(fā)展適用于海洋平臺的空間不完備處理方法及實測信號噪聲分離方法，用于提高實測模態(tài)精度；發(fā)展海洋平臺結構的阻尼特性識別方法，用于獲取平臺測試時刻的實際阻尼分布情況。所研究的空間不完備處理方法、實測信號噪聲分離方法以及阻尼特性識別方法，可為基于剛度信息的動力檢測技術提供精度更高的實測數(shù)據(jù)與基準模型；將所發(fā)展的阻尼評估指標與現(xiàn)有指標相互補充，有望推進工程應用進程。

項目負責人及其科研團隊，嚴格按照項目資助計劃書中約定的研究內(nèi)容逐項開展研究，整個項目按照預定計劃有序進行，達到了預期研究目標，未進行調(diào)整和變動。本項目針對項目計劃任務書研究內(nèi)容，在模態(tài)振型直接擴展方法、實測信號噪聲排除技術、平臺結構非傳統(tǒng)阻尼特性識別方法，以及基于阻尼信息的海洋平臺損傷評估方法研究中取得顯著進展。在本課題的資助下，先后在《Ocean Engineering》、《Journal of Vibroengineering》等國內(nèi)外刊物及重要學術會議上發(fā)表論文20篇，其中SCI論文9篇，EI論文15篇，參加國內(nèi)外學術會議1次，培養(yǎng)研究生4名。授權國家發(fā)明專利3項，授權軟件著作權3項。 2100433B

阻尼繞組電流的間接測量法

受技術條件的限制，人們無法直接測量得到運動狀態(tài)下的阻尼繞組電流，于是有人提出通過間接測量的方法來對阻尼繞組電流進行研究。在大量的假設前提下，利用電機能夠實測得到的直接數(shù)據(jù)，通過計算而間接地獲得了阻尼繞組電流的近似分布。利用這種間接測量法能夠定性的研究同步電機在各種工況下的阻尼繞組電流分布以及阻尼繞組電流對電機參數(shù)和性能所產(chǎn)生的影響。如在上世紀九十年代的文章中，作者就通過對一臺凸極同步電機的測量，分析了定子開槽對阻尼繞組電流所帶來的影響。在2011年發(fā)表的文章中，作者利用間接測量法研究了阻尼繞組電路對多相同步發(fā)電機產(chǎn)生的影響。間接測量法由于建立在大量假設與簡化的基礎之上，所得結果與實際值必然有所偏差，因此無法準確模擬實際工況，計算結果準確程度不高。于是文章提出了利用無線測量的方法來獲得水輪發(fā)電機阻尼繞組電流。這種方-法相較間接測量法而言，具有更直接，更準確的優(yōu)點。但由于必須在發(fā)電機阻尼繞組內(nèi)預先埋置無線電流傳感器，因此只能針對特定電機進行分析。

阻尼繞組電流的解析計算法

Walker和Kermis于1960年提出了一種脫離試驗的阻尼繞組電流計算方法，在一定假設的基礎之上，通過建立電機磁導的全解析數(shù)學模型，計算了凸極同步電機在開路狀態(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試驗法有了很大的進步。利用這種方法，人們可以在發(fā)電機的設計過程中預測阻尼繞組電流及其產(chǎn)生的影響，進而對發(fā)電機的設計進行優(yōu)化。發(fā)電機交、直軸等效電路的引入，使阻尼繞組電流計算的方法向前邁進了一步。Fuchs與Erdelyi在20世紀70年代陸續(xù)發(fā)表文章，通過等效電路將包括阻尼繞組在內(nèi)的發(fā)電機各繞組等效成交、直軸兩套等效繞組多回路，結合發(fā)電機的磁導解析模型，計算了阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對水輪發(fā)電機短路電流的影響。Canay于1975年發(fā)表文章，利用同樣的方法計算了汽輪發(fā)電機阻尼繞組電流及其對電機負序運行所產(chǎn)生的影響。同年Neidhoefer與Bose對水輪發(fā)電機轉子阻尼繞組內(nèi)的負序電流及其產(chǎn)生的損耗進行了計算與分析。20世紀80年代早期，李哲生學者利用這種交、直軸多回路與電機磁導解析模型相結合方法，計算分析了凸極同步電機的阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對的電機電勢與磁勢諧波所產(chǎn)生的影響。同一時期，趙鳳山與史乃等學者利用這種方法計算了水輪發(fā)電機在出現(xiàn)負載突然不對稱時的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應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，提出了一種改進的計算方法，能夠對發(fā)電機出現(xiàn)各種內(nèi)、外短路故障或其他一些不正常運行工況時的阻尼繞組電流進行計算Mina M Rahimian分別于2009年和2011年發(fā)表文章，以計算阻尼繞組電流的解析法為基礎，提出了一種能夠用于在線監(jiān)測同步電機內(nèi)阻尼繞組故障的方法。文章研究了具有雙層阻尼繞組結構凸極同步電動機的解析設計方法。文章提出了一種用于計算同步電機阻尼繞組參數(shù)的改進解析法。文章利用旋轉磁場解析法計算了大型水輪發(fā)電機的阻尼繞組損耗。

解析法的思路主要是采用集中參數(shù)的“路”的方法，即假設電流或磁通沿確定的路徑流通，將復雜的場的分布現(xiàn)象簡化成電路或磁路的問題，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)電機阻尼繞組電流的計算問題，但由于無法準確考量水輪發(fā)電機定子鐵心開槽、轉子磁極形狀以及磁場飽和等因素所產(chǎn)生的影響，因此阻尼繞組電流計算的準確程度不尚。

阻尼繞組電流的數(shù)值計算法

早在1873年，Maxwell就己經(jīng)推導并總結出了用于表征電磁場特征的基本方程組。但對于結構復雜的發(fā)電機來說，電機內(nèi)存在多種形狀復雜的導電與導磁媒質(zhì)，且導磁媒質(zhì)材料還具有非線性的特點，因此在數(shù)值方法出現(xiàn)以前，能夠直接用Maxwell方程求解的電磁場問題非常有限。隨著數(shù)值計算方法中的差分法、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電磁場問題都得到了順利解決，電機電磁場的研究也取得了極大的進展。其中的有限元法自從被引入電磁場分析領域以來，如今已經(jīng)成為了電機工程領域內(nèi)最為有效，應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合用來求解數(shù)理方程的一種方法，適于利用計算機來進行計算。其基本思想于上世紀五十年代被提出，首先應用在力學的研究領域，并在上世紀六十年代中期開始被引入了電機電磁場的研究領域。由于有限元法具有單元剖分靈活、算法統(tǒng)一、通用等特點，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、非線性媒質(zhì)材料等條件的電機內(nèi)電磁場，具有穩(wěn)定性和準確度高等方面的優(yōu)占1980年，鐘永琛學者利用有限元法就同步電機異步起動過程中的阻尼繞組電流分布進行了計算和研究。1983年Nitta T等人利用有限元的方法分析了電機內(nèi)由于次諧波的存在而引起的阻尼繞組電流。1994年Toader利用有限元法推導出氣隙磁導與磁動勢的數(shù)學模型，并將其用于發(fā)電機阻尼繞組電流的解析計算中，同時計算了電機的空載和負載兩種穩(wěn)態(tài)運行工況。較全解析法而言，這種將解析法與有限元法相結合的半解析方法，能夠更加準確模擬的定子開槽、磁極形狀以及磁場飽和等因素對氣隙磁導所產(chǎn)生的影響，使阻尼繞組電流的計算更加準確。同年，Vetter、Reichert同樣將解析法與數(shù)值法相結合，計算了并網(wǎng)同步電機和外接逆變器的同步電機的阻尼繞組電流。1997年Silvio Ikuyo Nabeta利用有限元法研究了集膚效應對同步電機阻尼繞組電流計算所產(chǎn)生影響。在2002年到2005年之間，Karmaker與Knight先后發(fā)表文章，建立包含電機相應橫截面上所有阻尼繞組的繞組等效多回路，并稱合氣隙磁導的有限元數(shù)學模型，對阻尼繞組電流及其附加損耗進行了計算。清華大學孫宇光博士利用場路親合法計算了發(fā)電機定子繞組內(nèi)部短路時的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應過程。2006年Nica C等人中利用有限元法計算并研究了變頻器驅動三相同步電機里的阻尼繞組電流受變頻器開關頻率諧波所產(chǎn)生的影響。2008年，Keller利用場路稱合法計算了轉子不平衡運行工況時的阻尼繞組電流。文章釆用解析與數(shù)值相結合的方法，計算和分析了大功率凸極同步電機在異步起動過程中的阻尼繞組電流的分布。2009年，文章計算了靜止變頻器起動的抽水蓄能電站用發(fā)電電動機在起動過程中的阻尼繞組電流及損耗。2010 年，Georg Traxler-Samek 對 Karmaker 與 Knight 的模型作了進一步優(yōu)化和完善。2012年，文章利用多回路稱合有限元的方法，計算了同步發(fā)電機發(fā)生定子繞組故障時阻尼繞組電流的瞬態(tài)響應及其產(chǎn)生的附加損耗。文章分析了凸極發(fā)電機轉子偏心對阻尼繞組電流及其附加損耗所產(chǎn)生的影響。

在計算阻尼繞組電流的過程中，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算了該電機在同樣條件下的阻尼繞組電流。采用改進方法計算所得的阻尼繞組電流波形與試驗測量曲線非常接近，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算結果與測量結果幅值相差很大，且同樣是阻尼繞組電流的計算結果與實測結果相差最大。這是因為在本文的計算過程中雖然考慮了該電機轉子鐵心磁極壓板由于飽和所帶來的端部磁場非線性問題，但由于阻尼繞組電流是交變的，端部磁場的局部飽和程度會隨電流的變化而發(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，再加上勵磁繞組與電樞繞組對阻尼繞組回路端部的影響，使得在電機的實際運行過程中轉子端部磁場的非線性情況遠比文中所顧及到的情況更為復雜。由此使得阻尼繞組電流的計算幅值與實測結果存在一定的偏差。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的影響最為嚴重，所以阻尼繞組電流的計算結果與實測結果相差最大。采用傳統(tǒng)解析法處理端部的計算結果，由于未充分考慮到實際運行中端部磁場的飽和程度及其復雜情況，因此計算準確度很低。且同樣是阻尼繞組計算準確度最低。盡管兩種方法的阻尼繞組電流幅值計算結果相差較大，但阻尼繞組電流基波頻率都為lOOHz，是電機主磁場旋轉頻率的2倍。這是由于發(fā)電機工作在不對稱運行狀態(tài)，不對稱的電樞繞組電流形成了負序磁場所造成的。雖然本章考慮端部磁場非線性的方法計算阻尼繞組電流的幅值與實測結果相比略有出入，但電流波形與實測結果吻合良好，足以證明所建數(shù)學模型及所用計算方法具有準確度高的優(yōu)點。 2100433B

阻尼一般可以分為3 類：系統(tǒng)阻尼、結構阻尼以及材料阻尼。系統(tǒng)阻尼是在系統(tǒng)中設置專用阻尼減振器，如減振彈簧、沖擊阻尼器等。結構阻尼是在系統(tǒng)的某一振動結構上附加材料或形成附加結構，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械振動能的能力。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、各種復合阻尼材料等?？偟膩碚f阻尼材料分為粘彈性阻尼材料、高阻尼合金以及復合阻尼材料三種，這些阻尼材料在很多領域都發(fā)揮著重要作用。研究材料的阻尼行為，開發(fā)具有較高阻尼性能的結構材料，對于解決由振動造成的問題具有十分重要的意義。對結構件的材料阻尼特性進行定量的測量及計算，能夠為機械設備的結構設計和生產(chǎn)提供十分重要的參考依據(jù)，因此材料阻尼特性測量是減振降噪技術中重要的一個環(huán)節(jié)。

最常用的材料阻尼測試方法，是參照國標《GBT18258-2000 阻尼材料 阻尼性能測試方法》等阻尼測試標準，將被測材料制作成標準試樣，通過激振器等激勵手段，激發(fā)試樣的阻尼振動，獲得其共振響應信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算出材料阻尼比。材料阻尼測試問題可以歸結為系統(tǒng)辨識問題，包括系統(tǒng)、激勵和響應三個部分。在材料阻尼測試的問題中，系統(tǒng)即是材料阻尼試樣本身，它的阻尼特性參數(shù)就是需要識別的系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)的激勵信號由我們給定，通常是瞬態(tài)的沖擊信號、或者持續(xù)激勵的掃頻信號，激勵信號可以通過信號采集直接獲得。系統(tǒng)的響應信號就是材料阻尼試樣在被激勵之后的振動信號，需要使用儀器進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理 。