一种基于频谱的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法资料(共22页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上说 明 书 摘 要本发明公开了一种基于频谱的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法，包括如下步骤：步骤a)在待测风电叶片主梁外激发脉冲波，获得脉冲回波检测信号；步骤b）将步骤a所得脉冲回波检测信号进行快速傅里叶变换，获得频谱图并判断结构胶中是否存在缺胶或脱粘缺陷；步骤c)将叠加的脉冲回波检测信号进行峰值频率提取，并计算其峰值频率间隔；步骤d）利用步骤c所得数据进行干涉回波频率分析，判断结构胶的脱粘程度。针对现有技术，本发明在识别出风电叶片主梁和腹板粘接区域是否存在缺胶或脱粘缺陷的基础上还可实现对结构胶缺损程度进行较精密的检测，从而方便于叶片的修补工作，保障叶片出厂质量，降

2、低叶片失效事故发生率，且流程简单、方法统一，特别适用于大型风电叶片主梁和腹板粘接区域的检测,具有很大的市场价值。专心-专注-专业权 利 要 求 书1一种基于频谱的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤a)在待测风电叶片大梁外激发脉冲波，获得脉冲回波检测信号；步骤b)将步骤a所得的脉冲回波检测信号进行快速傅里叶变换，获得频谱图并判断结构胶中是否存在缺胶或脱粘缺陷；步骤c) 将叠加的脉冲回波检测信号进行峰值频率提取，并计算其峰值频率间隔；步骤d) 利用步骤c所得数据，利用步骤c所得数据进行干涉回波频率分析，判断结构胶的脱粘程度。2根据权利要求1所述的基于频谱的风电叶片主

3、梁和腹板粘接缺陷检测方法，其特征在于，步骤a之前还包括步骤a0，其具体操作为：建立无缺陷的风电叶片大梁和腹板粘接结构有限元模型，对有限元模型外激发不同中心频率汉宁窗调制的脉冲波，得到的脉冲回波检测信号进行比较，确定检测该模型适合的中心频率。3根据权利要求1所述的基于频谱的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法，其特征在于，步骤a的具体操作为：选取大梁的待检测位置，在待检测位置处激发由步骤a0确定的脉冲波，获得脉冲回波检测信号。4根据权利要求1所述的基于频谱的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法，其特征在于，步骤b的具体操作为：利用Origin将步骤a得到的脉冲回波检测信号截取相同信号长度进行快速傅里

4、叶变换，由此得到脉冲回波检测信号的频谱图。图中幅度值即为即为快速傅里叶变换值。横轴为f即频率。将得到的频谱图进行比较，判断主梁和腹板粘接区域是否存在缺胶或脱粘缺陷。5根据权利要求1所述的基于频谱的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法，其特征在于，步骤c具体操作为：设为频谱图中快速傅里叶变换的最大值所对应的频率和为频谱图中快速傅里叶变换次大值所对应的频率即峰值频率，分别在叠加的脉冲回波检测信号所对应的频谱图中提取和的数值，计算出峰值频率间隔。6根据权利要求5所述的基于频谱的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法，其特征在于,峰值频率间隔计算公式为: (1)其中，为频谱图中快速傅里叶变换最大值所对应的频

5、率，为频谱图中快速傅里叶变换次大值所对应的频率。7根据权利要求1所述的基于频谱的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法，其特征在于,步骤d具体操作为：利用步骤c所得的数值，进行干涉回波频谱分析即建立结构胶不同脱粘程度与峰值频率间隔的关系曲线，判断结构胶的脱粘程度。说 明 书一种基于频谱的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法技术领域本发明涉及超声波频谱分析技术领域，特别涉及大型风电叶片主梁和腹板粘接区域的缺陷检测。背景技术风能作为一种清洁、无污染、可再生的绿色能源，在我国具有重要的战略地位,因此风力发电面临着广阔的市场空间。风电叶片作为风电机组最为关键的部件之一，为了更有效的获取风能，叶片的尺寸也在朝

6、着大型化的发展。但是大型叶片体积庞大，成型工艺复杂，难免存在生产缺陷。典型的缺陷有分层、夹杂、孔隙和缺胶，其中缺胶引发叶片失效的情况最多。主要是由于叶片采用半成型合模技术即压力侧和吸力侧分别成型，然后通过结构胶进行粘接，而且粘接过程为盲粘。主梁作为风电叶片主要承载结构，其和腹板的粘接质量更是叶片使用寿命的关键。目前传统检测方法有目视法和敲击法，这两种方法虽然简单易行，但是要求检测人员经验较高，准确性和可靠性较低。所以简单可靠、便于操作的风电叶片无损检测方法和标准备受关注。超声无损检测具有检测对象广、检测深度大、缺陷准确定位和便于现场使用等特点，已成为现在产品检测和控制的重要手段。但是超声波检测

7、风电叶片在我国还处于初级研究阶段，主要是基于对超声波传播时间和回波幅值来获取介质特性信息，对于风电叶片大梁和腹板粘接区域，叶片尺寸庞大，只能应用脉冲回波技术进行扫查，但此处粘结剂的厚度大约为5-10mm,一旦粘结剂中存在脱粘，接收到的检测信号会因多界面回波信号叠加而变得复杂，则需要制作大量的对比试块增加检测人员经验，花费大量的时间和精力，而且检测人员的判断存在一定的主观性，因此基于频谱分析方法的信号处理技术已成为现代超声检测技术的重要组成部分。徐阳在文章兆瓦级大型风力发电机叶片的无损检测中采用激光散斑法对主梁和腹板粘接区域进行了检测，但没有涉及超声波频谱分析技术。羊森林在文章大型风电叶片缺陷及

8、其无损检测技术研究中提出根据缺陷波的时间和幅值检测缺胶或脱粘的位置和大小，但也无涉及回波检测信号的频谱信息。杜鹃在文章超声波无损检测技术在风电叶片粘结部位缺陷检测中的应用中也无涉及回波检测信号的频谱信息。李怀福在文章超声无损检测技术在风电叶片上的应用中提出根据超声图像精确地判定粘结缺陷和夹杂缺陷的尺寸，但相控阵设备成本较高，且多为进口还没有应用叶片的检测。王昌盛在文章风电叶片前缘胶结结构的超声检测技术中只在时域上对有无缺陷的回波信号进行了对比分许，但无涉及回波检测信号的频谱分析，安静和徐宁在文章超声波技术用于风电叶片粘结区域的探究中提出了脉冲回波法探测主梁和腹板粘接区域的可行性，但也无涉及回波

9、检测信号的频谱信息。蒋志峰在文章超声检测频域分析及对缺陷识别应用研究中提出用频谱分析检测碳纤维复合材料的孔隙率，但无涉及用频谱分析技术检测风电叶片主梁和腹板粘接缺陷。赵慧荣在文章复合材料壳体分层的检测及定量中也无涉及用频谱分析技术检测风电叶片主梁和腹板粘接缺陷。刘鲜红在专利利用超声A扫描判断风力发电叶片结构缺陷的方法中也没有涉及回波检测信号的频谱信息。姚恩涛在专利一种风电叶片脱层检测方法及检测系统中涉及敲击法检测叶片脱层获得的频域信息，但是并不能应用于主梁和腹板粘接缺陷的检测。李苏威和石可重在专利一种风力机叶片超声检测的缺陷种类判定方法中没有涉及主梁和腹板粘接缺陷的检测方法。李苏威和石可重在专

10、利一种风电叶片梁帽位置判定方法中也没有涉及主梁和腹板粘接缺陷的检测方法。李苏威和石可重在专利一种风力机叶片尾缘粘接缺陷的无损检测方法中对比了有缺陷和无缺陷的回波信号在时域上的区别，但无涉及回波检测信号的频谱信息。李苏威和石可重在专利一种风力机叶片壳体与腹板粘接缺陷的无损检测方法中只提出了粘接区域缺胶缺陷的检测方法，并没有涉及粘结剂下表面脱粘程度的检测方法。发明内容针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于频谱的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法, 该方法能在识别出风电叶片主梁和腹板粘接区域是否存在缺胶或脱粘的基础上，还可实现对粘结剂下表面的脱粘程度进行较精密的检测，尤其适用于对风力

11、发电叶片主梁和腹板粘结区域缺陷检测，从而保障风电叶片出厂质量，降低事故的发生率。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于频谱的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法包括如下步骤:步骤a) 在待测风电叶片大梁外激发脉冲波，获得脉冲回波检测信号；步骤b) 将步骤a所得的脉冲回波检测信号进行快速傅里叶变换，获得频谱图并判断结构胶中是否存在缺胶或脱粘缺陷；步骤c）将将叠加的脉冲回波检测信号进行峰值频率提取，并计算其峰值频率间隔；步骤d）利用步骤c所得数据，进行干涉回波频率分析，判断结构胶的脱粘程度。优选地，步骤a之前还包括步骤a0，其具体操作为：建立无缺陷的风电叶片大梁和腹板粘接结构有限元模型，

12、对有限元模型外激发不同中心频率汉宁窗调制的脉冲波，得到的脉冲回波检测信号进行比较，确定检测该模型适合的中心频率。优选地, 步骤a的具体操作为：选取大梁的待检测位置，在待检测位置处激发由步骤a0确定的脉冲波，获得脉冲回波检测信号。优选地, 步骤b的具体操作为：利用Origin将步骤a得到的脉冲回波检测信号截取相同信号长度进行快速傅里叶变换，由此得到脉冲回波检测信号的频谱图。图中幅度值即为即为快速傅里叶变换值。横轴为f即频率。将得到的频谱图进行比较，判断主梁和腹板粘接区域是否存在缺胶或脱粘缺陷。优选地，步骤c具体操作为：设为频谱图中快速傅里叶变换的最大值所对应的频率和为频谱图中快速傅里叶变换的次大

13、值所对应的频率即峰值频率，分别在叠加的脉冲回波检测信号所对应的频谱图中提取和的数值，计算出峰值频率间隔。优选地，峰值频率间隔计算公式为: (1)其中，为频谱图中快速傅里叶变换的最大值所对应的频率，为频谱图中快速傅里叶变换的次大值所对应的频率。优选地，步骤d具体操作为: 利用步骤c所得的数值，根据干涉回波频谱分析，建立结构胶在厚度方向缺失尺寸与峰值频率间隔的关系曲线，判断结构胶的脱粘程度。与现有技术相比，本发明提供的大型风电叶片结构胶缺损程度检测方法，具有以下优点：1使用该方法检测风电叶片主梁和腹板粘接缺陷，可先建立无缺陷的风电叶片大梁和腹板粘接结构有限元模型的数据库，当有限元模型足够多时，可确

14、定检测不同的大梁厚度和结构胶厚度所需要的最佳中心频率。2克服了现有技术中没有一种方法用超声波频谱分析技术检测风电叶片主梁和腹板之间粘结剂的脱粘程度。3流程简单，建立待检测的风电叶片大梁和腹板粘接结构有限元模型，激发脉冲波后，仅需要通过对脉冲回波检测信号进行快速傅里叶变换，即可有效评估结构胶中是否存在缺胶或脱粘缺陷。4本发明能够直接得出脉冲回波检测信号的峰值频率间隔，判断结果直观准确。附图说明图1为风电叶片主梁和腹板粘结结构示意图。图2a为激发中心频率为250K脉冲波得到的脉冲回波传播情况示意图。图2b为激发中心频率为500K脉冲波时得到的回波传播情况示意图。图2c为激发中心频率为1000K脉冲

15、波得到的脉冲回波传播情况示意图。图2d为激发中心频率为2000K脉冲波得到的脉冲回波传播情况示意图。图3a为结构胶在厚度方向脱粘0%的有限元模型示意图。图3b为结构胶在厚度方向脱粘20%的有限元模型示意图。图3c为结构胶在厚度方向脱粘40%的有限元模型示意图。图3d为结构胶在厚度方向脱粘60%的有限元模型示意图。图3e为结构胶在厚度方向脱粘80%的有限元模型示意图。图3f为结构胶在厚度方向脱粘100%的有限元模型示意图。图4为LS-prepost软件模拟计算得到脉冲回波检测信号的流程图。图5a为结构胶在厚度方向脱粘0%时脉冲回波传播情况示意图。图5b为结构胶在厚度方向脱粘20%时脉冲回波传播情

16、况示意图。图5c为结构胶在厚度方向脱粘40%时脉冲回波传播情况示意图。图5d为结构胶在厚度方向脱粘60%时脉冲回波传播情况示意图。图5e为结构胶在厚度方向脱粘80%时脉冲回波传播情况示意图。图5f为结构胶在厚度方向脱粘100%时脉冲回波传播情况示意图。图6a为结构胶在厚度方向脱粘0%时其脉冲回波的频谱示意图。图6b为结构胶在厚度方向脱粘20%时其脉冲回波的频谱示意图。图6c为结构胶在厚度方向脱粘40%时其脉冲回波的频谱示意图。图6d为结构胶在厚度方向脱粘60%时其脉冲回波的频谱示意图。图6e为结构胶在厚度方向脱粘80%时其脉冲回波的频谱示意图。图6f为结构胶在厚度方向脱粘100%时其脉冲回波的

17、频谱示意图。图7为结构胶不同脱粘程度与峰值频率间隔关系曲线示意图。具体实施方式为了能够对本发明有进一步理解，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。下面以检测风电叶片主梁和腹板粘接区域为例，有限元模型的尺寸根据具体工程对待测风电叶片不同位置处大梁和结构胶厚度要求而定，有限元模型的个数根据结构胶的厚度要求和探头中心频率而定，本发明以建立6个有限元模型为例：根据待测位置风电叶片大梁和结构胶的物理参数，本发明采用主梁厚度为30mm，结构胶厚度为5mm,各有限元模型对应的结构胶在厚度方向缺失尺寸分别为0mm、1mm、2mm、3mm、4mm和5mm，分别代表结构胶脱粘程度为0%、20%、40%、60

18、%、80%和100%。首先对无缺陷的有限元模型在主梁外侧同一位置处分别激发中心频率为250K、500K、1000K、2000K汉宁窗调制的脉冲波，得到其脉冲回波检测信号，根据衰减情况确定检测该模型适合的中心频率为500K。然后对各个有限元模型激发中心频率为500K的脉冲波，得到其脉冲回波检测信号，截取相同信号长度并对其进行快速傅里叶变换，将得到脉冲回波检测信号的频谱图进行比较，判断风电叶片主梁和腹板粘结区域是否存在缺胶或脱粘缺陷；再将结构胶脱粘的频谱图进行干涉回波频谱分析即建立结构胶不同脱粘程度与峰值频率间隔的关系曲线，判断结构胶的脱粘程度。实施例（1）选取模型材料，建立结构胶在厚度方向脱粘0

19、%的有限元模型（即无缺陷缺陷）；根据风电叶片大梁和腹板粘结过程过程中的实际情况设置相关的材料的弹性模量（E）、密度()、泊松比（），在ANSYSLS-DYNA中建立主梁和腹板粘结区域结构胶在厚度方向脱粘0%的有限元模型，材料参数见表1；表1E（Mpa）（kg/m3）主梁4464019480.28结构胶28001249.70.3腹板1264319470.53轻质泡沫1372000（2）将步骤（1）得到的有限元模型中大梁1上侧外壁对应结构胶2中心位置分别施加中心频率为250K、500K、1000K、2000K汉宁窗调制的脉冲波，在激发位置处分别获取回波的时域信号即无缺胶的脉冲回波检测信号。如图2a

20、、图2b、图2c和图2d所示，波形图横轴为时间，纵轴为波速；将得到的脉冲回波检测信号进行比较，根据波形特点和衰减情况确定检测该模型适合的中心频率为500K。需要注意的是，采样时间为30us，可根据需要设定的采样间隔，本实施例中将采样间隔设定为0.01us。（3）采用步骤（1）的模型尺寸参数和材料参数，在ANSYSLS-DYNA软件中建立结构胶在厚度方向缺失1mm的有限元模型，图3b所示，在有限元模型中大梁1上侧外壁对应结构胶2缺失的中心位置采用步骤（2）确定的中心频率为500K的脉冲波进行激发，在LS-prepost软件里的激发位置提取数据，获取波速随时间变化的波形图（二维图）即结构胶在厚度方

21、向脱粘20%的脉冲回波检测信号，如图5b所示，发现由于结构胶的部分缺失结构胶上界面反射回波和缺陷界面反射回波发生叠加，产生了干涉。需要注意的是，采样时间和采样间隔和步骤（1）中相同。（4）将步骤（3）得到的脉冲回波检测信号进行干涉回波频谱分析，截取10us到25us的回波检测信号，在Origin软件中进行快速傅里叶变换，获取其频谱图（二维图），如图6b所示；频谱图横轴为频率f，纵轴为幅值。再提取频谱图中所对应的峰值频率和。需要注意的是，可根据需要设定截取的信号长度，本实施例中截取的信号长度为15us。（5）分别按上述步骤（2）（4）建立结构胶在厚度方向脱粘20%、40%、60%、80%和100

22、%的有限元模型，得到相应的频谱图和步骤（4）得到的频谱图进行比较，判断结构胶中是否存在缺胶或脱粘缺陷。（6）将步骤（5）得到脉冲回波检测信号产生叠加的频谱图进行峰值频率提取，并根据公式（1）计算相应的峰值频率间隔，计算结果见表2；表2有限元模型峰值频率峰值频率峰值频率间隔3b.3.0.73c.5.5.03d.6.0.43e.2.3.1（7）将上述峰值频率间隔，根据干涉回波频谱分析，作出峰值频率间隔和结构胶脱粘程度的线性关系图，如图7所示，图中横轴为结构胶在厚度方向脱粘程度，纵轴为峰值频率间隔。由表2与图6a、6b、6c、6d、6e、6f和图7可知，本发明提供的风电叶片主梁和腹板粘接缺陷检测方法

23、，通过比较回波检测信号的频谱图，以达到判断主梁和腹板粘接区域是否存在缺胶或脱粘目的；再通过计算叠加回波检测信号的峰值频率间隔，以达到判断主梁和腹板脱粘程度的目的。该方法简单且准确有效的判断大型风电叶片主梁与腹板的粘接缺陷，以达到控制叶片出厂质量的目的。最后有必要再此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案做进一步详细的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。说 明 书 附 图轻质泡沫图 1图 2a图 2b图 2c图 2d接收激发 图 3a脱粘 图 3b 图 3c 图 3d 图 3e缺胶 图 3f改变结构胶脱粘程度不同结构胶脱粘程度有限元模型显示动力学分析求解器参数设置Ls-prepost后处理器输出脉冲回波检测信号求解载荷参数和边界条件图 4 图 5a 图 5b 图 5c 图 5d 图 5e 图 5f 图 6a 图 6b图 6c图 6d图 6e图 6f图 7