5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別-汕頭大學-李東升.pdf

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1、深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別Structural Health Monitoring and Damage Identification of Wind Turbines報告人：報告人：李東升李東升教授、博導教授、博導汕頭大學土木與智慧建設工程系特聘教授、博士生導師汕頭大學土木與智慧建設工程系特聘教授、博士生導師廣東省結構安全與監測工程技術研究中心廣東省結構安全與監測工程技術研究中心 主任主任2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升12023國際海上風電技術創新大會，國

2、際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭 汕頭大學汕頭大學 校園風光校園風光2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升2廣東省、教育部李嘉誠基金會三方共建結構工程一級學科博士學位授權點2023博士后流動站2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭 教育和工作履歷教育和工作履歷2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升31990.091990.0

3、9-1994.071994.07上海交通大學上海交通大學學士學士2005.082005.08-2012.012012.01德國錫根大學德國錫根大學博士博士教教育育經經歷歷2014.032014.03-2015.022015.02伊利諾伊大學伊利諾伊大學(美國美國)訪問學者訪問學者2018.052018.05-現在現在汕頭大學汕頭大學 工學院工學院教授教授/博導博導2006.052006.05-2006.072006.07帕維亞大學帕維亞大學(意大利意大利)訪問研究訪問研究工工作作經經歷歷2005.082005.08-2007.092007.09錫根大學錫根大學(德國德國)DAAD資助留學資助留

4、學1999.091999.09-2002.072002.07大連理工大學大連理工大學碩士碩士Universitt Siegen Doktor2002.072002.07-2018.042018.04大連理工大學大連理工大學副教授副教授/博導博導2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭 汕頭市風電產業布局汕頭市風電產業布局2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升4南島勒門風電場 2030年前碳達峰行動方案年前碳達峰行動方案提出，全面推進風電、太陽能發

5、電大規模開發和高質量發展，堅持集中式與分布式并舉，加快建設風電和光伏發電基地。堅持陸海并重，推動風電協調快速發展，完善海上風電產業鏈，鼓勵建設海上風電基地。廣東省海上風電發展規劃廣東省海上風電發展規劃（2017-2030）提出提出我省擬規劃海上風電場23個，總裝機容量6685萬千瓦?；洊|地區由于海洋風能條件良好，深水區擬規劃6個海上風電場，預計裝機容量達5000萬千瓦，是全省海上風電發展的主陣地。因此，汕頭把海上風電作為“三新兩特一大”的重點發展產業。汕頭市制造業高質量發展汕頭市制造業高質量發展“十四五十四五”規劃規劃提出爭取“十四五”期間海上風電資源可開工規劃裝機容量600-800萬千瓦，力

6、爭保持每年不低于200萬千瓦的可開發容量；建設汕頭國際風電創新港，強化新能源產業技術創新等一系列目標，推進“產研學”一體化。2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭 汕頭市風電產業布局汕頭市風電產業布局2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升55參考文獻：廣東省發展改革委.廣東省海上風電發展規劃（2017一2030年）（修編）項目名稱規劃容量（萬千瓦）總投資（億元）1汕頭洋東海上風電場25452汕頭勒門海上風電場701263汕頭海門海上風電場901

7、624粵東近海深水場址三7501350 廣東省海上風電發展規劃（2017-2030），汕頭市擁有3350萬千瓦的近海深水區風電規劃裝機容量，約占全省深水區規劃裝機容量的56%，是整個粵東區域規劃的67%。3350萬千瓦裝機容量意味著基地的建設將帶動超過6000億元的建設投資，建成后年發電量超1000億度（汕頭市2020年全社會用電量為218.46億度），年發電產值超過600億元。汕頭正將資源優勢轉化為產業優勢，打造為全球首個集“研發設計一體化、工藝流程一體化、生產制造一體化、檢測認證一體化”四個一體化的國際風電創新港；也是全球首個在一個產業園區，聚集風電整機、葉片、齒輪箱、發電機、軸承等全產業

8、鏈制造企業，以及檢驗檢測實驗室和大型科研裝置，實現從設計研發、技術創新到生產制造交付的完整產業鏈。2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升6 目錄目錄0104020305風機中結構健康監測的背景風機中的模態局部化理論與試驗研究基于VFIFE的系泊纜索動力學建模與系泊機理研究結論與致謝風機氣動載荷監測和塔架彎矩識別0607漂浮式風機斷纜影響及運動穩定性研究風機葉片高階模態參數識別2.1線性周期時變失諧風輪的模態

9、局部化風力機的模態躍遷現象2.2風力機風輪模態局部化的試驗研究2.32023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升7 典型的風力發電機故障案例典型的風力發電機故障案例Wind turbine collapse(2012.09.05)Wind turbine collapse(2019.05.21)Wind turbine caught fire(2020.02.23)A blade broke off(2020.1

10、0.26)2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升8 風機葉片失效的原因風機葉片失效的原因風致葉片故障葉片因雷擊而損壞由于冰堆積不均勻導致葉片失效由于制造失誤導致葉片失效2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升9 表面/膠粘

11、劑剝離 粘合接頭失效 夾層剝離 分層 沿纖維分裂 屈曲引起的表面/膠粘劑剝離(1型特例)在凝膠涂層產生的裂紋 風機葉片失效的類型風機葉片失效的類型容易損壞的葉片區域:(a)距葉根的弦長分別為30-35%和70%(b)葉片的根部(c)最大弦處Ref:Ciang,C.C.,Lee,J.R.&Bang,H.J.(2008),Structural Health Monitoring for a Wind Turbine System:A Review ofDamage Detection Methods,Measurement Science and Technology,19(12),122001.

12、2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升10 葉片損傷檢測的傳感器和方法葉片損傷檢測的傳感器和方法葉片類型Ten 4.5m blades9m blade4.25mAEGIS blade7.9m blade8-foot section of a blade9m TX-100 blade9m LMblade9m CX-100 blade傳感器部署聲發射聲發射應變計聲發射應變計聲發射應變計壓電陶瓷激光測振儀應變計加

13、速度計壓電陶瓷壓電纖維應變計光纖傳感器加速度計聲發射加速度計壓電陶瓷壓電纖維損傷檢測方法聲發射檢驗聲發射檢驗聲發射檢驗無損監測聲發射檢驗無損監測阻抗振動波聲發射檢驗阻抗振動波聲發射檢驗振動無損監測振動波無損監測例子Joosse et al 2002Kirikera et al.2007Dutton 2004Sutherland et al.1994Ghoshal et al.2000Rumsey&Paquette 2008S rensen et al.2002Farinholtet al.2012Ref:Li D S(李東升),Ho S C M,Song G B,Ren L and Li H

14、N.A review of damage detection methods for wind turbine blades.Smart Materials and Structures,2015,24(3):033001,1-24.風機中的模態局部化理論與定量分析2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升112023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷

15、識別，李東升12 模態局部化模態局部化局部化現象由諾貝爾物理學獎獲得者Anderson等首先發現：1958年，他提出了著名的安德森局域化(Anderson localization)：有序周期金屬晶格的失諧(無序)導致局部化現象的出現。Hodges等從理論和實驗上證明了結構動力學領域的模態局部化現象，材料不均勻和制造誤差等失諧會導致葉片-輪盤中出現模態的局部化，個別葉片的振幅顯著大于其余葉片，振動被限制在少數子結構中，從而引起個別葉片振幅過大并有較高的疲勞應力而致使其疲勞斷裂。其實，早在60年代人們就發現葉片-輪盤結構的獨特疲勞破壞現象：個別葉片嚴重疲勞破壞而其余葉片則無明顯的疲勞破壞跡象。P

16、hilip Warren Anderson1923年12月13日2020年3月29日1977年的諾貝爾物理學獎獲得者美國物理學家。物理上，在反鐵磁性、高溫超導等領域有重大貢獻Left:regular.Middle:disordered latticeRight:Quantum Localization2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升13 模態局部化現象模態局部化現象模態局部化發生的條件：模態局部化現象

17、模態局部化現象：振動幅值和能量主要限制在結構的某一局部區域內，使得該部位的響應幅值、應力過大，并產生能量積聚，最終將導致結構發生破壞協調結構失諧后航空發動機網殼結構葉片-輪盤結構制造誤差安裝誤差結構覆冰 結構是弱耦合對稱結構（本質上是密集模態）結構存在一定的失諧研究對象研究對象：由若干個相同子結構組成的周期對稱結構。理想周期對稱結構的振動模態會均勻地沿圓周方向傳遞至整個結構各個構件結構失諧結構失諧：各子結構的外形尺寸、剛度和質量等參數不完全相同(如：制造誤差、安裝誤差，結構損傷，結構覆冰)2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國

18、汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升14 模態局部化現象模態局部化現象三葉型風力機：對稱隨著葉片尺寸的增加，葉片的柔性也隨之增加2015年的一個猜想：風輪可以看作是一個弱耦合的周期結構。風輪的輕微失諧會導致模態局部化2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升15 模態局部化機理的理論分析模態局部化機理的理論分析將結構的模態頻率

19、和模態振型問題作為代數特征值問題進行數學求解：結構的狀態方程：其中A是系統矩陣：如果計算的特征值對數據中的微小變化非常敏感，則任何計算問題都被定義為病態。攝動理論是一種強有力的工具，它可以深入研究決定矩陣本征系統靈敏度的因素?，F在考慮兩個矩陣A和B，讓1和V1是A的一個簡單特征值，我們希望檢驗對應的特征值和特征向量A+B，對應的一階攝動理論的表達式是其中，對于足夠小的，1的擾動的主要項是k1。其顯式表達式為iiiAxx=yAy=110,=IxAyMKM Cx=0MxCxKx+=111()k=+111()VVz=+11111111/TTky BVy Vs=2023國際海上風電技術創新大會，國際海

20、上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升16 模態局部化機理的理論分析模態局部化機理的理論分析所以我們看到這個特征值的靈敏度主要取決于S1V1的擾動的一階項是:注意，除了s1之外，所有的si都包含在內，分母中還有因子(1-i)。當1與其他特征值相近時，我們期望對應于簡單特征值1的特征向量對擾動非常敏感。結構矩陣對特征值相對不敏感，11/si是小量，而特征向量是病態的。因此(1-i)是確定模態局部化的內因。從數學的角度來看密集模態是產生模態局部化的最

21、重要因素()()()31312121221331nnnnVVVsss+2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升17 風機葉片的失諧模擬風機葉片的失諧模擬三種失諧類型：質量失諧 剛度失諧 幾何失諧 質量或者剛度的小量失諧會對風機葉片的振型產生較大影響 葉片剛度失諧可能導致模態局部化。一階振型對剛度失諧比質量和幾何失諧更敏感一階協調振型一階質量失諧振型一階剛度失諧振型一階幾何失諧振型出現模態局部化2023國際海上

22、風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升18 風力機轉子的動力學模型風力機轉子的動力學模型三葉片風力機轉子的8-DOFs模型葉片的自由度:一階擺向和揮舞模態機艙自由度:傾斜和偏航運行風輪的模型分析方法:Coleman變換和Floquent分析NRLE5MW 概況 轉子直徑:126m,3m;葉片長度:61.5m;葉片質量:7,740 kg;負載轉速和額定轉速:6.9 rpm,12.1 rpm2023國際海上風電技術創新大會，國

23、際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升19 協調風機轉子的動態特性協調風機轉子的動態特性采用Floquet分析法對調諧轉子進行了模態分析 傳統的動力學方程 時變風力轉子協調風力機轉子的三個葉片前六階模態的振幅 第一、二、三階模態分別為第一階反向旋轉(BW)、對稱(Sym)和前向旋轉(FW)的揮舞模態。在這些模態下，葉片的振幅完全相等。所有葉片的模態參數相等，振動幅值一致，沒有發生模態局部化。0MuCuKu+=()()()0M t uC t u

24、K t u+=2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升20 失諧風力發電機轉子的動態特性失諧風力發電機轉子的動態特性降低葉片1的抗彎剛度，模擬葉片損傷引起的失諧 圖中可以看出帶有弱正失諧的模態局部化。時變風力機轉子模態振型對葉片損傷引起的失諧具有較高的敏感性。模態局部化結果表明，在某些模態下，風力機轉子系統的能量集中在損傷的葉片上。這會加重葉片的損傷，降低使用壽命。不同失諧程度的風力機轉子歸一化振幅1100%

25、EIEIEI=2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升21 模態局部化機理模態局部化機理風力機風輪模態局部化的試驗研究2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升222023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李

26、東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升23 風力機試驗模態簡介風力機試驗模態簡介研究對象：青島逸凡公司生產制造的風力機組（葉片長度1.05m）測試系統：東方所研發的DASP系統和INV測試硬件實驗地點：汕頭大學結構試驗室連接方式：葉片固定在風力機輪轂上（螺栓連接）測試方法：多參考點錘擊技術(MRIT)試驗方案：研究制造誤差和葉片損傷失諧對風輪的葉片一階揮舞振動模態的影響試驗葉片INV測試硬件加速度傳感器和力錘試驗風力機組結構2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康

27、監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升24 單葉片試驗模態分析單葉片試驗模態分析 試驗目的：檢驗制造誤差、了解葉片基本模態特性 試驗方法：試驗模態分析（5個葉片）采用多點激勵多點響應的方法（MIMO）密集模態 葉片邊界條件單葉片傳感器布置圖葉片號1階揮舞2階揮舞3階揮舞葉片19.22727.66991.336葉片29.96828.51794.232葉片39.24727.88990.536葉片410.11028.49893.050葉片59.33227.37790.449表1 葉片的試驗模態頻率1階揮舞模態2階揮舞模態2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技

28、術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升25 葉片制造誤差失諧的影響葉片制造誤差失諧的影響10.270.292葉片1葉片2葉片30.00.20.40.60.81.01.2 歸一化振幅葉片數0.55410.789葉片1葉片2葉片30.00.20.40.60.81.01.2 歸一化振幅葉片數諧調第3階模態制造誤差失諧第3階模態研究目的：研究葉片制造誤差失諧對風力機風輪動力學特性的影響研究方法：誤差失諧模擬葉片1替換成葉片2模態測試方法：MIMO方法傳感器布置方

29、式：每個葉片布置兩個傳感器結論：在葉片揮舞對稱振動(第3階)中，出現了模態局部化現象葉片1葉片2葉片3葉片1葉片2葉片32023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升26 葉片損傷誤差失諧的影響葉片損傷誤差失諧的影響諧調第1階模態葉片損傷失諧第1階模態研究目的：研究葉片損傷失諧對風力機風輪動力學特性的影響研究方法：損傷失諧的模擬對葉片1進行切割模態測試方法：MIMO方法損傷工況：葉片1的葉根和葉中同時損傷結論：在葉

30、片揮舞反對稱振動(第1階)中，出現了弱模態局部化現象葉片1葉片2葉片3葉片1葉片2葉片3葉中損傷位置葉根損傷位置10.420.512葉片1葉片2葉片30.00.20.40.60.81.01.2 歸一化振幅葉片數0.230.6281葉片1葉片2葉片30.00.20.40.60.81.01.2 歸一化振幅葉片數風力機的模態躍遷現象2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升272023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構

31、健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升28 風力機有限梁單元模型風力機有限梁單元模型圖NREL 5MW 風力機組簡化模型表1 NREL 5MW風力機組基本參數額定功率額定功率5MW風輪和輪轂直徑126m,3m機艙tilt(俯仰角)，cone(錐角)5，2.5輪轂高度90m風輪質量110000kg機艙質量240000kg塔架質量347460kg塔架高87.6m葉片長度61.5m利用前面的梁單元，建立了NREL5MW風力機的有限元模型，5MW 風力機的基本參數如下表所示，結構共173個節點。2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29

32、日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升29 風力機靜止前風力機靜止前10階模態階模態模態階數模態階數NREL 結果結果HACW2結果結果本文模型本文模型模態振型名稱模態振型名稱FASTADAMS10.31200.31640.31700.3168一階塔架側向彎曲（side to side）20.32400.31950.31960.3196一階塔架前后彎曲（Fore-Aft）30.62050.60940.60660.6187一階傳動鏈扭轉（Drivetrain Torsion）40

33、.66640.62960.63060.6549一階反對稱揮舞振動50.66750.66860.66110.6889一階反對稱揮舞振動60.69930.70190.69890.7069一階對稱揮舞振動71.07931.07401.07311.0672一階反對稱擺振振動81.08981.08771.08721.0798一階反對稱擺振振動91.93371.65071.68661.7402二階反對稱揮舞振動101.92231.85581.83001.9277二階反對稱揮舞振動表2.2 NREL 5MW風力機組的前10階模態FAST模型：16個自由度ADAMS模型：438個自由度密集模態2023國際海上

34、風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升30 葉片葉片1損傷對風力機模態頻率的影響損傷對風力機模態頻率的影響引入損傷損傷類型：葉片1引入剛度損傷重點關注：密集模態部分的振型變化（一階擺振模態）0123450.30.40.50.60.70.8頻率損傷程度 1階 2階 3階 4階 5階 6階 7階 8階0123451.041.061.08頻率(Hz)葉片損傷程度 第7階 第8階b 第7至8階頻率曲線 從圖a中可見，葉片損傷對第1

35、-6階模態頻率變化并不明顯。但第7和8階模態出現了一些奇特的現象：7，8階模態頻率曲線先是相互靠近，并且在葉片損傷3%和4%之間處幾乎相交，但隨后迅速分離。此時風力機風力機結構的頻率曲線發生了轉向結構的頻率曲線發生了轉向。通常結構頻率曲線轉向現象的出現會伴隨著結構的模態局部模態局部化現象或者模態躍遷現象化現象或者模態躍遷現象的發生。a 第1至6階頻率曲線風力發電機組塔架載荷監測2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升312023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中

36、國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升32 基于稀疏約束的聯合狀態估計算法基于稀疏約束的聯合狀態估計算法(PM-AKF)傳統的卡爾曼濾波算法提供了一個最小二乘意義下的最優解(式(4)minEaakkkaakkXdXXX對于大部分結構，其所經受的荷載在空間上具有稀疏的特點，利用荷載這一特性，狀態的最優解變為：202minE+kaakkkaakkXdXXXp根據動態壓縮感知理論，式5可以等效為式6212minE,.kstaakkkaakkXdXXXp式6中的不等式通過虛擬方程(式(7)進行迭代求解，最后的算法可

37、見算法10=-aakG X算法1=aaak+1kk kXA XT=+aaak+1kk kPA P AQ()1TTv=+k+1aaak+1kk+1kLPGG PGR()=+aaaak+1k+1ak+1k+1k kk+1kXA XLdG X1=k+1k+1PP1=ak+1k+1XX1100nn=aGH()1TTR=+aaaLPGG PG()=+1aXILGX()=+1aPILGP令Foriterations do=1,2,NEnd for=Nk+1k+1PP=Nak+1k+1XX(4)(5)(6)(7)2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國

38、日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升33 基于稀疏約束的聯合狀態估計算法基于稀疏約束的聯合狀態估計算法(PM-AKF)PM-AKF是基于Kalman濾波器的一種改進的算法，相對之前的方法，該算法存在以下幾個優點：完美地解決了荷載飄逸問題，荷載飄移問題即是在加速度觀測情況下，荷載估計結果存在一個低頻漂移的現象，PM-AKF通過稀疏約束的辦法抑制了低頻漂移的成分 相對之前的算法AKF、D-AKF等具有較強的魯棒性 可以同時識別結構狀態（例如結構位移速度加速度等）與外荷載05101520-50510152

39、025Time s AKF PM-AKF0510152010-6010-5010-4010-3010-2010-10|P|/Time s AKF PM-AKF圖1 AKF與PM-AKF算法的殘差時程圖2 AKF與PM-AKF算法估計的協方差時程PM-AKF通過對荷載施加一個邊界即并通過迭代的方式在每個時間步長修正協方差如圖2，準確的協方差修正了卡爾曼增益方程，從而漂移問題被解決。1kp2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與

40、損傷識別，李東升34 風機塔架載荷識別實驗驗證風機塔架載荷識別實驗驗證Wind load北斗加速度傳感器應變傳感器H1H2H3H4L1L2低通濾波絕對位移靜態絕對位移塔架靜態推力線性擬合加速度數據高通濾波高頻加速度數據荷載估計塔架動態推力塔架氣動推力 荷載監測策略氣動推力識別策略2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升35 風機塔架載荷識別實驗驗證風機塔架載荷識別實驗驗證X 方向塔頂氣動推力識別荷載時程以及頻

41、譜圖xzFx0501001502002503000.00.30.60.91.21501551601651700.20.40.60.81.00.00.51.01.52.00.000.030.06My時間 s 測量值 估計值My時間 s 測量值 估計值My頻率 Hz 測量值 估計值X 方向塔身彎矩識別荷載時程以及頻譜圖2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升36 風機塔架載荷識別實驗驗證風機塔架載荷識別實驗驗證塔

42、底X方向(前后振動)彎矩時程以及頻譜分析0501001502002503000.00.30.60.91.21501601701800.20.40.60.81.00.00.51.01.52.00.000.030.06My時間 s 測量值 估計值My時間 s 測量值 估計值My頻率 Hz 測量值 估計值 前后向塔底估計彎矩值與測量值變化趨勢相符合，證明提出的塔架彎矩估計策略在塔底效果良好。yxz前后振動050100150200250300-1.2-0.9-0.6-0.30.00.3150155160165170-0.6-0.4-0.20.00.51.01.52.00.000.030.06My時間

43、s 測量值 估計值My時間 s 測量值 估計值My頻率 Hz 測量值 估計值 前后向塔頂彎矩估計結果低頻成分與實際變化趨勢相符，高頻估計部分有較大出入塔頂X方向(前后振動)彎矩時程以及頻譜分析2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升37 風機塔架載荷識別實驗驗證風機塔架載荷識別實驗驗證 風機實驗表明，提出的氣動荷載和彎矩同時識別策略可以有效實時地識別結構的氣動荷載和塔身任意點彎矩，識別誤差在5%以內，滿足實際

44、工程要求 在彎矩估計時，存在塔頂彎矩識別效果相對塔底識別效果較差的特點，這主要是由于在荷載簡化時，氣動推力簡化為集中荷載忽視葉片柔性的特點，從而葉片振動對塔頂彎矩造成了擾動。Fx塔底塔底My塔頂塔頂My塔底塔底Mx塔頂塔頂Mx誤差0.8630.5323.2103.1434.400定義誤差：，其中yref為參考量，yid為識別結果2222refidrefE=yyy表1 塔架氣動推力Fx和塔身彎矩識別相對誤差(%)基于VFIFE的系泊纜索動力學建模與系泊機理研究2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升382023國際海上風電

45、技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升39 Spar型浮式風機剛柔耦合動力學建模型浮式風機剛柔耦合動力學建模 基于向量式有限元(Vector Form Intrinsic Finite Element,VFIFE)理論建立了OC3-Hywind浮式風機系泊系統的動態分析模型 向量式有限元創新性的提出了三個基本概念：(1)點值描述；(2)途徑單元；(3)虛擬的逆向運動 該模型可以考慮系泊纜索軸向伸長、水動力荷載和慣性力效應系泊纜

46、索建模流程圖質點運動控制方程：+,+=+速度、加速度中心差分：=22=12,+1 ,+,1，=1,+1,1,+1=211,+112,113,1將上式帶入控制方程并稍加整理，最終迭代格式為：2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升40 與實驗結果對比與試驗對比結果（工況2）工況設置及試驗圖示 Spar型浮式風機剛柔耦合動力學建模型浮式風機剛柔耦合動力學建模 試驗介紹：設實驗設置如下圖，單根系泊纜索，靜水，水深3

47、m，鏈長33m，上端做平面內的周期圓周運動，不考慮水池底部的粘彈性，即水池底部視為剛性平面，沒有碰撞、反彈，沒有阻尼和摩擦兩個試驗工況，系泊纜索上端運動到3m以上位置脫離水面012345678910111213141501020304050 Numerical-VFIFE Experimental dataTension(N)Time(s)012345678910111213141501020304050607080 Numerical-VFIFE Experimental dataTension（N）Time(s)與試驗對比結果（工況1）通過對比發現，在低頻和高頻情況下，數值結果與試驗結果都

48、吻合較好！2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升41 浮式風機時域耦合模型浮式風機時域耦合模型求解流程求解流程采用分區雙向弱耦合耦合策略浮式風機的耦合模型程序主要包括波浪生成模塊、系泊水動力計算模塊、系泊內力計算模塊、氣動荷載計算模塊、平臺水動力計算模塊以及核心求解器中心差分模塊系泊單元數量對計算結果的影響系泊單元數量對計算結果的影響結論：錨鏈#2 2系泊張力相對誤差0 0.4646%，單根錨鏈單元數量30

49、30可以保證計算精度2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升425MW5MW淺吃水階梯式淺吃水階梯式SparSpar浮式風機模型試驗浮式風機模型試驗浮式風機原型尺寸相似準則確定試驗模型尺寸模型制作SolidWorks設計模型校驗浮式風機水池模型試驗過程靜回復力自由衰減規則波浪荷載作用隨機波浪荷載作用風機模型部件浮式平臺的六自由度剛體運動通過NDI空間三維測量采集系統進行監測在平臺的導纜孔處裝有拉力傳感器，用于

50、測量錨鏈張力在浮式風機的前后和左右兩側布置有浪高儀對波浪信息進行采集2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升435MW5MW淺吃水階梯式淺吃水階梯式SparSpar浮式風機模型試驗浮式風機模型試驗規則波工況錨鏈運動隨機波工況錨鏈運動規則波工況風機運動隨機波工況風機運動2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式

51、風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升44 靜水試驗結果及對比分析靜水試驗結果及對比分析靜水自由衰減測試和系泊系統水平剛度測試靜水自由衰減測試和系泊系統水平剛度測試波浪模擬驗證波浪模擬驗證結論：水池試驗中造波機模擬的規則波結論：水池試驗中造波機模擬的規則波、不規則波浪具有較高的精度；系泊系統靜恢復不規則波浪具有較高的精度；系泊系統靜恢復力剛度試驗與數值結果吻合較好；自由衰減運動固有周期的試驗值和數值結果吻合良好力剛度試驗與數值結果吻合較好；自由衰減運動固有周期的試驗值和數值結果吻合良好浮式風機自由衰減周期試驗和數值對比運動 固有周期(s)誤差(%)

52、試驗結果 數值結果 縱蕩 111.36 103.10-7.42 垂蕩 29.27 30.03 2.60 縱搖 42.01 42.89 2.09 2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升45 動力響應試驗結果對比分析動力響應試驗結果對比分析結論：結論：VFIFEVFIFE模模型計算平臺運動響應和系泊張力響應與型計算平臺運動響應和系泊張力響應與試驗結果試驗結果符合較好符合較好定義了5個規則波個規則波和4個不規則波

53、個不規則波工況，將數值計算結果與試驗結果進行對比，以下是時域時域結果對比漂浮式風機斷纜影響及運動穩定性2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升462023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭50%23%19%8%2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升47 系泊系統及工況介紹系泊系統及工況介紹 研究重要性海上風機常年服役于惡劣的海洋環境，系泊系統難免會因為臺風、疲勞和腐蝕等原因發

54、生斷裂。系泊斷裂會影響浮式風力機的受力平衡，進而影響其在六自由度方向上的動力響應，最終影響其發電效率。由于缺少系泊的約束，漂浮式風力機將產生大范圍的漂移運動，這種運動可能會造成風機電纜的斷裂，并增加與其它海上結構碰撞的風險，導致一系列安全事故。此外，由于海上風電場用海面積受限，需要盡可能提高海域面積的利用率，此時如何優化風電場中的機群布置，并防止斷纜碰撞顯得尤為重要。系泊斷裂的原因系泊斷裂的原因 磨損磨損：系泊纜索與連接件、導纜等發生磨損，與海床發生摩擦。疲勞疲勞：彎曲應力引起的裂紋和擴展。腐蝕腐蝕：化學反應導致生銹和腐蝕、海洋生物生長。意外意外：安裝操作或檢查操作期間損壞等。缺陷缺陷：材料缺

55、陷。預張力過大預張力過大：系泊纜應在暴露于惡劣環境條件（風暴、颶風）或極端負載。系泊斷裂系泊斷裂事故統計事故統計Ref：CHUANG ZHEN-JU,LIU SHE-WEN,LI CHUN-ZHENG,et al.Dynamic Analysis of Semi-Submersible Production Platform Under the Failure of Mooring LinesJ.中國海洋工程（英文版）,2021,35(1):84-95.錨鏈損壞50%鏈接器損壞23%鋼索損壞19%纖維繩損壞8%2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月

56、月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升48 系泊系統及工況介紹系泊系統及工況介紹參數參數數值數值參數參數數值數值吃水/m120平臺總質量/kg7.47106平臺頂部高度/m10導纜孔與中心線距/m5.2平臺最大直徑/m9.4系泊纜索原長/m902.2平臺最小直徑/m6.5纜索直徑/m0.09系泊半徑/m853.9纜索間夾角/120質心高度/m89.92纜索線密度/(kg m-1)77.71系泊纜索數量3纜索濕重/(N m-1)698.04系泊纜索材料鋼材纜索拉伸剛度/N3.84108錨固點

57、水深/m320纜索彎曲剛度/(N m2)6.44106導纜孔水深/m70纜索扭轉剛度/(N m2)6.44106表1 OC3-Hywind平臺參數系泊線1#系泊線2#系泊線3#風浪作用方向系泊示意圖表2 工況定義2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升49 不同斷纜位置的影響不同斷纜位置的影響不同斷裂位置下浮式風機6自由度響應 對于縱蕩運動，如左圖a所示，位于荷載一側的系泊纜索2#斷裂后會產生比1#斷裂時更大

58、的縱蕩位移，這是因為2#的斷裂會使荷載與另外兩根系泊產生的恢復力處于非對稱狀態，導致浮式風機系統產生劇烈的運動。對于橫蕩與橫搖運動，由于1#系泊提供的張力與橫蕩運動方向相垂直，所以如左圖b和左圖d所示，其斷裂后浮式風機的橫蕩與橫搖運動受到的影響較2#斷裂時相對較小。由左圖c和左圖e可知，#2斷裂也會導致浮式風機系統產生比#1斷裂時更大的垂蕩和縱搖運動。在艏搖方向上，如左圖f可知，平臺在纜索2#斷裂后會受到不對稱的約束力會因而產生較大運動響應，影響浮式風機的對風效果。2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/

59、5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升50 漂浮式風機斷纜影響研究漂浮式風機斷纜影響研究-10-50510152025303540-0.3-0.2-0.10.00.1橫蕩/m縱蕩/m 工況1-0 工況1-1斷裂位置a.漂移軌跡b.漂移軌跡0100200300400500600700-700-600-500-400-300-200-1000橫蕩/m縱蕩/m 工況1-2 工況0-2-10-50510152025303540-0.3-0.2-0.10.00.1橫蕩/m縱蕩/m 工況1-0 工況1-1斷裂位置a.漂移軌跡b.漂移軌跡01002

60、00300400500600700-700-600-500-400-300-200-1000橫蕩/m縱蕩/m 工況1-2 工況0-2不同斷裂位置下漂移軌跡 由左圖a可知，1#系泊發生斷裂后(工況1-1)，會往來風方向縱蕩接近30m的距離。由左圖b可知，2#系泊斷裂后（綠色虛線所示）浮式風機會朝其約束力相反方向產生650m的橫蕩位移及430m的縱蕩位移。通過對比相同系泊斷裂狀態但無環境荷載的工況0-2（紫色點劃線）可知，在2#系泊斷裂后平面漂移距離能達到780m，且其中約400m的距離是由于系泊斷裂后系泊系統不平衡引起的。由此可見對于三根系泊組成的系泊系統在發生系泊斷裂后會因為系泊約束力的不平衡

61、而增大其橫蕩與縱蕩運動響應。02004006008001000-250255075100125150縱蕩/m時間/s Case1-0 Case1-1 Case1-2 Case3-0b.橫蕩c.垂蕩d.橫搖e.縱搖f.艏搖02004006008001000-0.3-0.2-0.10.00.10.2橫蕩/m時間/s01002003004005006007008009001000-10123456垂蕩/m時間/s02004006008001000-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4橫搖/()時間/s020040060080010003.03.54.04.55.05.56.0

62、6.57.0縱搖/()時間/s02004006008001000-1.0-0.50.00.51.01.5艏搖/()時間/sa.縱蕩 當兩根系泊#2與#3（工況3-0）同時發生斷裂時，浮式風機在縱蕩、垂蕩、縱搖、艏搖方向上均受到比單根系泊斷裂時更大的擾動。對于橫搖運動而言，浮式風機在該方向受到的影響較小。此外，由于2#與3#斷裂后，系泊約束力方向與荷載方向一致，浮式風機的受力對稱，因此對浮式風機的艏搖影響較小。但是由于兩根系泊斷裂導致浮式風機艏搖剛度減小，當風浪方向發生變化時，浮式風機的艏搖運動會變得更劇烈。單根系泊斷裂與兩根系泊斷裂的對比2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大

63、會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升51 風浪夾角對風機斷纜后的不利影響風浪夾角對風機斷纜后的不利影響02004006008001000-10-505101520253035縱蕩/m時間/s Case1-1 Case2-1 Case2-2 Case2-302004006008001000-1.0-0.50.00.51.01.5橫蕩/m時間/s02004006008001000-1.0-0.50.00.51.01.52.0垂蕩/m時間/sa.縱蕩b.橫蕩c.垂蕩

64、d.橫搖e.縱搖f.艏搖02004006008001000-0.6-0.4-0.20.00.20.40.6橫搖/()時間/s020040060080010003.03.54.04.55.05.56.06.57.0縱搖/()時間/s02004006008001000-1.00-0.75-0.50-0.250.000.250.500.75艏搖/()時間/s 浮式風機在0、10、20和30風浪夾角下的縱蕩、垂蕩以及縱搖運動響應十分接近，換言之，當發生斷纜時，30以內風浪夾角并不會增大浮式風機在縱蕩、垂蕩和縱搖方向上的運動響應。2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日

65、日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升52 四種漂浮式風機斷纜穩定性對比四種漂浮式風機斷纜穩定性對比基礎形式基礎形式SparSemiTLPBarge平臺尺寸9.4m上浮筒直徑：12m下浮筒直徑：24m平臺直徑：18m平臺尺寸：40m40m40m排水性能吃水120m吃水20m排水12180m3排水6000m3平臺重量7466330kg13500000kg8600000kg5452000kg重心位置-90m-13.46m-40m-0.323m系泊形式懸鏈式3根120每根長902m懸鏈

66、式3根120每根長835.5m張緊式4組(每組2根)每根151.70m懸鏈式4組(每組2根)每根473m風浪作用方向系泊線1#系泊線3#系泊線7#系泊線2#系泊線4#系泊線5#系泊線6#系泊線8#軸軸系泊線1#系泊線2#系泊線3#軸軸系泊線1#系泊線2#系泊線3#軸軸系泊線3#7#系泊線1#5#系泊線2#6#系泊線4#8#軸軸由于4種漂浮式風機系泊形式不同，發生斷裂的系泊統一設定為沿風浪荷載方向的左側處系泊，對于TLP、Spar、Semi和Barge型風機系泊斷裂分別發生在2#、2#、1#和2#。定義模擬工況的風速為11.4m/s、有義波高為3m，波浪周期為10秒，風浪同向，模擬時長為1800

67、秒，系泊斷裂發生在第300秒。表1 四種漂浮式風機基本參數四種漂浮式風機建模示意圖四種漂浮式風機模擬工況2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升53 四種風機斷纜穩定性對比四種風機斷纜穩定性對比運動響應運動響應 漂浮風機的運動穩定性與其漂浮式基礎的結構形式和系泊形式有關，張緊式和單組多根式的系泊系統因為有更多冗余量，因此擁有更好的穩定性。4種漂浮式基礎中，TLP型和Barge型運動穩定性最好，受到斷纜的影響最

68、小，Spar型和Semi型由于發生斷纜后系泊張力處于非對稱狀態，兩者在縱蕩、橫蕩和艏搖方向上受到的影響較大?？v搖和橫搖運動受斷纜的影響主要與系泊斷裂位置、荷載方向有關。2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升54 四種風機斷纜穩定性對比四種風機斷纜穩定性對比系泊張力系泊張力 對比張緊式系泊和懸鏈式系泊，張緊式系泊發生斷纜后其同側系泊的張力會顯著增加，加之張緊式系泊本身已經承擔了較大預張力，因此對于TLP型漂浮

69、式風機而言，斷纜會導致剩余系泊發生斷纜的可能性增加。對于Spar型和Semi型漂浮式風機的3根式的系泊系統而言，發生斷纜后其余系泊的張力會減小，因此斷纜并不會對其余的系泊造成不利影響。此外，設計單組多根形式（Barge型）的系泊冗余能減小斷纜對其余系泊的影響。2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升55 漂浮式風機的動穩性原理漂浮式風機的動穩性原理設置最大動傾角限值1定義風速起始值V0定義荷載重現期T根據風浪

70、聯合概率分布與荷載重現期T選取浪高計算模型的最大動傾角2風速V=V0+dV21大量仿真模擬求得運動穩定域輸出對應風速和浪高是否海洋中的風與浪兩者并非獨立，浪的形成與風密切相關，且風荷載與波浪荷載可使用聯合概率描述。由動穩性理論可知，當漂浮式風機縱搖或橫搖即將達到最大動傾角時對應的風與浪荷載即為極限荷載。在該極限荷載作用下風力機的漂移范圍即是運動穩定域。也就是說，當風力機運動超出此范圍，意味著其所受的荷載超過其能承受的極限荷載，存在傾覆的危險。完整系泊狀態下穩定域單根系泊斷裂狀態下穩定域漂浮式風機穩定域求解流程圖風機葉片高階模態參數識別2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，

71、李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升562023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升57 相位運動放大實驗相位運動放大實驗階數階數頻率頻率HZ階數階數頻率頻率HZ1階117.1885階1894.532階273.4386階2031.053階507.8127階2695.314階781.258階4023.442#1#3#實驗概況傳感器識別各階模態信息傳感器時域數據傳感器頻域數據2023國際海上風電技術

72、創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升58 相位運動放大實驗分析相位運動放大實驗分析模態振型可視化第7階，2695.31hz第8階，4023.44hz2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升59 結論結論研究了風力發電機轉子的模態局部化問題發現了

73、葉片損傷導致風力機模態躍遷現象基于稀疏約束的聯合狀態估計算法對風機氣動荷載和塔架彎矩進行荷載識別基于向量式有限元理論建立了漂浮式風機系泊系統的動態分析模型分析漂浮式風機斷纜影響并提出漂浮式風機運動穩定域概念采用高速攝像機識別出結構高階模態信息1.Li D S(李東升李東升),Ho S C M,Song G B,Ren L and Li H N.A review of damage detection methods for wind turbine blades.Smart Materials and Structures,2015,24(3):033001,1-24.2.張永朋,李東升李東升

74、,郭鑫.近海風機葉片模態局部化產生機理及定量分析研究J.計算力學學報,2020,37(01):53-61.3.Dongsheng Li(李東升李東升),Yongpeng Zhang,Xin Guo,Xinglin Guo,Research on The Mechanism and Quantitative Analysis of Mode Localization of Offshore Wind Turbine BladesC/Proceedings of the ASME 2019 38th International Conference on Ocean,Offshore and Ar

75、ctic Engineering OMAE2019 June 9-14,2019,Glasgow,Scotland.4.郭鑫,李東升李東升,魏達等.基于解析位移形函數的改進風機葉片梁單元J.太陽能學報,2022,43(04):387-392.DOI:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0805.5.Xin Guo,Dongsheng Li(李東升李東升),Peng Guo,Peter Kraemer.Mode localization in the linear periodically time-varying mistuned wind rotorJ.Wind

76、Energy.2021(24):10831094.6.郭鑫,李東升李東升,姜濤.風機風輪模態局部化的動力學機理與影響因素分析J.太陽能學 報,2022,43(07):264-269.DOI:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-02697.李東升李東升,高嚴培,郭鑫.改進共旋坐標法的 Timoshenko 梁單元非線性分析J.工程力 學,2022,39(11):22-30+10860 發表文章發表文章1.Wei D,Li D S(李東升李東升),Jiang T,et al.Load identification of a 2.5 MW wind turbine tow

77、er using Kalman filtering techniques and BDS dataJ.Engineering Structures,2023,281:115763.2.Wei D,Li D S(李東升李東升),Huang J.Improved force identification with augmented Kalman filter based on the sparse constraintJ.Mechanical Systems and Signal Processing,2022,167:108561.3.Zhang Y,Shi W,Li D S(李東升李東升),

78、et al.Development of a numerical mooring line model for a floating wind turbine based on the vector form intrinsic finite element methodJ.Ocean Engineering,2022,253:1113544.Zhang Y,Shi W,Li D S(李東升李東升),et al.A novel framework for modeling floating offshore wind turbines based on the vector form intr

79、insic finite element(VFIFE)methodJ.Ocean Engineering,2022,262:112221.5.Da Wei,Dongsheng Li(李東升李東升),Enjian Cai,Jiezhong Huang,Xin Guo.Structural damage identification with unknown external inputs based on the sparse constraint J.Smart Materials and Structures,2023.(錄用待刊)6.李東升李東升,涂靖,李煒.Spar 型漂浮式風機斷纜影響

80、及運動穩定性研究J.太陽能學 報.2023(錄用待刊)7.李東升李東升,魏達.基于稀疏約束的最小方差無偏自適應荷載估計J.振動與沖擊.2023(錄用待刊)61 發表文章發表文章2023國際海上風電技術創新大會，國際海上風電技術創新大會，11月月29日日-12月月1日，中國日，中國 汕頭汕頭2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升62感謝課題組研究生郭鑫，張雨，魏達，郭鵬等謝謝各位的聆聽！希 望 合 作2023/12/5深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升深遠海漂浮式風機的結構健康監測與損傷識別，李東升63李東升汕頭大學，工學院Email: http:/Tel:+(86)754-8650 2982