[发明专利]一种工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法

说明书

技术领域

本发明属于结构全场三维变形测量领域，具体涉及一种工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法。

背景技术

随着世界能源危机的日益严重，以及公众对于改善生态环境要求的呼声日益高涨，风能作为一种清洁的可再生能源日益受到各国政府的重视。风力发电产业正逐步发展成为初具规模的新兴产业。由于强风、电击、腐蚀等因素影响，风电机组在运行过程中可能出现损伤甚至灾难性事故。风力发电机叶片是风力发电机的关键部件之一，叶片的好坏直接影响着风力发电机的效率、寿命和性能，因此，风轮叶片的安全保障具有极端重要性。叶片在制造、安装和运行等过程中会产生损伤，在交变应力等因素作用下萌生裂纹并不断扩展，最终导致叶片断裂，造成巨大经济损失。因此对叶片裂纹损伤的检测尤为重要。

为了保证风轮叶片的安全运行，风轮叶片损伤破坏机理的研究十分必要。对于风轮叶片破坏机理与损伤识别的研究经常需要测量风轮叶片在风荷载作用下表面的变形场，但传统的检测方法为静态检测，试验中施加的载荷较风轮叶片在实际工作中受力简单，未能全面反映风轮叶片实际工作中复杂受力下的位移和应变，且应变片、引伸计等方法具有量程有限、只能测量单个方向的应变，以及传感器可能会因风轮叶片破坏而损坏失效等困难和不足。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种具有在线、非接触式、全场性和三维等优点的工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在待测风轮叶片表面喷漆，形成随机散斑点；

（2）选取风电机组轮毂中心为不动标志点，并在每个叶片根部均选取另一个标志点，每个叶片根部的标志点采用不同形状的标志；

（3）在风轮叶片前方架设两台工业数字摄像机；要求两台工业数字摄像机所在的位置到风轮叶片上任一点的直线是非平行的；

（4）在风轮叶片扫略面上安装标定板；采用两台工业数字摄像机拍摄该标定板，利用双目立体视觉原理对系统进行标定，根据标定板中标定点的已知三维坐标与对应的图像点坐标关系计算两台摄像机的内、外参数；

（5）完成标定后，采用工业数字摄像机拍摄静止状态下的风轮叶片，得到所有测点的像平面坐标。利用预先标定的摄像机的内外参数，将像平面坐标代入共线方程，即可得到初始状态下风轮叶片所有测点的三维坐标；

（6）在风电机组工作时，采用工业数字摄像机拍摄转动的风轮叶片；将叶片根部标志点相对轮毂中心不动标志点的位置与初始状态下两标志点的相对位置相比较，确定风轮叶片的刚体转动角度；

（7）将步骤（6）中所摄图像绕轮毂中心不动标志点整体反向旋转风轮叶片的刚体转动角度，以消除风轮叶片的刚体转动位移；将消除刚体转动位移后的像平面坐标代入共线方程，得到工作状态下变形后风轮叶片的三维坐标；

（8）将工业数字摄像机所拍摄的风轮叶片在静止状态、转动状态下的散斑图像进行匹配，根据最大相关系数确定两幅散斑图像的点对关系；

（9）计算工作状态下风轮叶片的三维坐标与静止状态下风轮叶片的三维坐标的差值，得到工作状态下风轮叶片各测点的三维位移场；

（10）根据像素划分子区，从三维位移场中取一个局部子区，对子区内各点的位移利用最小二乘拟合得到位移函数，将该函数作为子区域中心点处的函数值，对该函数求导得到该子区域中心点处应变值；

（11）将局部子区移动到下一个像素点，重新按步骤（10）计算得到工作状态下风轮叶片变形后的应变值；如此重复直到所有局部子区计算完成，最后得到工作状态下风轮叶片全场应变值。

本发明所述的工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法具有实时性、全场性、非接触式、三维等优点，可得到风轮叶片在工作状态时全场三维位移和应变，可真实反映风轮叶片实际工作中复杂受力下的位移和应变。解决了静态试验测量方法和接触式测量方法中的困难及不足，为风轮叶片损伤破坏机理的研究提供了技术支撑。

具体实施方式

本发明提供了一种工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法，包括以下步骤：

（1）在待测风轮叶片表面喷漆，形成随机散斑点；要求两种漆的颜色对比度要高，一般多用黑白亚光漆，当然别的漆也可以。

（2）选取风电机组轮毂中心为不动标志点，并在每个叶片根部（刚度较大处）分别选取另一个标志点，每个叶片根部的标志点采用不同形状的标志，例如三个叶片分别选用圆形、三角形、正方形等；