Wybrane wyniki badań

Wysokie i smukłe morskie turbiny wiatrowe są czułe na zjawiska dynamiczne otaczającego je środowiska. W projektowaniu i technicznym utrzymaniu (detekcji uszkodzeń) morskich konstrukcji stałych (mocowanych do dna) istotne są trzy kategorie informacji. Są to: dane o warunkach brzegowych (rodzaj połączenia z dnem, właściwości mechaniczne dna morskiego), dane o zmiennych w czasie obciążeniach działających na konstrukcję oraz dane o naprężeniach spowodowanych działaniem tych sił. Pomiar odkształceń na konstrukcji rzeczywistej (prototypie) jak i na modelu z zachowaniem pewnych praw skalowania może służyć tym celom. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że turbina posiada obracający się wirnik, który może powodować pojawienie się zmiennych w czasie drgań niestacjonarnych i tym samym utrudnić analizę modalną konstrukcji.

Detekcja zmian stanu mechanicznego modelu na podstawie odkształceń quasi-statycznych

W przerwach pomiędzy badaniami zasadniczymi przeprowadzano czynności związane z dostosowaniem stanu mechanicznego modelu tripoda do potrzeb kolejnych eksperymentów. Podczas tych czynności w większości przypadków przeprowadzano równocześnie kontrolny pomiar odkształceń. Zmiany odkształceń mechanicznych spowodowane czynnościami instalacyjnymi są przedstawione na rysunkach Xa do Xd. Przebiegi dla poszczególnych czynności instalacyjnych oddzielone są na wykresach pionowymi liniami, które oznaczają brak bezpośredniej ciągłości czasowej pomiędzy graniczącymi ze sobą przebiegami.

Kolejne przedziały na rysunku dotyczą następujących czynności: przykręcanie śrubami dolnych pierścieni nóg trójnoga do stołu antywibracyjnego (przedział 1 i 2), rozkręcanie kołnierza i wyjęcie płytki z kołnierza na górnym stężeniu nogi nr 1 (przedział 3), odkręcanie śrub mocujących dolne pierścienie nóg do stołu (przedział 4); przykręcanie śrubami dolnych pierścieni nóg trójnoga do stołu antywibracyjnego z gąbką (przedział 5), skręcanie kołnierza z płytką w środku na górnym stężeniu nogi 1 (przedział 6 i 7).

Przedział 1 i 2:  przykręcanie śrubami dolnych pierścieni nóg tripoda do stołu antywibracyjnego. Śruby były przykręcane w następującej kolejności noga 1, 2 i 3. Największe zmiany odkształceń spowodowane zmianami warunków brzegowych obserwuje się na czujnikach zainstalowanych w dolnej części modelu tripoda. W przedziale 1 dobrze widoczne są momenty, w których rozpoczynało się przykręcanie kolejnych śrub (pgX, ubX_2, X=1,2,3).

Rysunek 1.  Zmiany odkształcenia na najniżej położonych czujnikach trójnoga. Przedziały 1-7 ograniczone pionowymi liniami na rysunku są opisane w tekście.Rysunek 2.  Zmiany odkształcenia na dolnych czujnikach stężeń górnych tripoda. Przedziały 1-7 ograniczone pionowymi liniami na rysunku są opisane w tekście.Przedział 3:  rozkręcanie kołnierza i wyjęcie płytki z kołnierza na górnym stężeniu nogi nr 1. Czujniki znajdujące się w nodze nr 1 pod kołnierzem wykazują istotne zmiany odkształceń. Zanotowano większe zmiany odkształceń na ts_r1 niż na ts_r1a wskazując miejsce bliżej węzła jako bardziej czułe na tego typu uszkodzenia.

Przedział 4:  odkręcanie śrub mocujących dolne pierścienie nóg do stołu.

Przedział 5:  przykręcanie śrubami dolnych pierścieni nóg tripoda do stołu antywibracyjnego; pomiędzy pierścieniami a stołem włożono gąbki. Model tripoda stawiano na gąbkach przy prawdopodobnie rozkręconym kołnierzu.W tych przedziałach zanotowano zmiany odkształceń czujników ale wyniki są trudne do interpretacji.

Przedział 6 i 7:  skręcanie kołnierza z płytką w środku na górnym stężeniu nogi 1. Przez większą część przedziałów 6 i 7 nic się nie dzieje, ponieważ w kołnierz są wkręcane śruby i dopiero w ostatnim etapie przedziału 7 można zauważyć naciąganie się stężenia nr 1.

Rysunek 3.  Zmiany odkształcenia na górnych czujnikach stężeń górnych tripoda. Przedziały 1-7 ograniczone pionowymi liniami na rysunku są opisane w tekście.Rysunek 4.  Zmiany odkształcenia na dolnych czujnikach powyżej węzła głównego trójnoga. Przedziały 1-7 ograniczone pionowymi liniami na rysunku są opisane w tekście.Zatem:

• Czujniki pgX, X=1,2,3 są wrażliwe na zmiany zamocowania nóg do stołu (warunki brzegowe); zmiany w kołnierzu górnego stężenia nogi nr 1 nieznacznie wpływają na ich odczyty.
• Czujniki ubX_1, X=1,2,3 są czułe na zmiany warunków brzegowych gdy kołnierz jest skręcony; czujniki tracą swoją czułość na zmiany w warunkach brzegowych po rozkręceniu kołnierza; skręcenie kołnierza powoduje rozsunięcie się poziomów odkształceń.
• Czujniki ubX_2, X=1,2,3 są czułe na zmiany zamocowania nóg do stołu bez względu na stan mechaniczny kołnierza; widoczna jest różnica w zachowaniu dla X=2 i 3 od X=1; przy odkręconym tripodzie od stołu czujniki wracają do zera bez względu na stan kołnierza; w przypadku ub1_2 następuje przesunięcie odkształceń, które jest niwelowane dopiero po ponownym skręceniu kołnierza w przeciwieństwie do ub1_1, który silnie reaguje na zmiany w kołnierzu.
• Czujniki ub2_1, ub2_2, ub3_2 są bardziej czułe na zmiany w warunkach brzegowych natomiast czujniki ub1_1, ub1_2 są bardziej czułe na zmiany w kołnierzu; zachowanie czujnika ub3_1 nie jest jednoznaczne.
• Czujniki tsX, X=1,2,3 nie są czułe na zmiany w kołnierzu i w warunkach brzegowych; czujniki tsXa, X=1,2,3 nie są czułe na zmiany w kołnierzu ale są czułe na zmiany w warunkach brzegowych. Zaskakująco duże odkształcenia pojawiły się na czujniku ts1a (300 mm/m) w porównaniu z pozostałymi czujnikami.
• W przypadku rozet ubX_r zachowanie czujników można podzielić na dwie grupy. Dla X=1 czujnik A (czujniki A są naklejone wzdłuż tworzącej rury) jest bardziej czuły na zmiany stanu mechanicznego kołnierza natomiast w przypadku X=2,3 czujniki A są bardziej czułe na zmiany warunków brzegowych. Zmiany w kołnierzu i w warunkach brzegowych mają niejednoznaczny wpływ na czujniki B i C tych rozet.
• W przypadku rozet ts_r2, ts_r1a, ts_r3a, ts_r3 (rozety umieszczone nad węzłem głównym) zmiany w kołnierzu i w warunkach brzegowych mają niejednoznaczny wpływ na nie. Czujniki A i C rozety ts_r1 wykazują większą czułość na zmiany zachodzące w kołnierzu niż czujniki w pozostałych rozetach z tej grupy.

Podsumowując im czujnik jest zainstalowany wyżej w konstrukcji tym wpływ tego co się dzieje na dole jest mniejszy Dotyczy to przypadku gdy na konstrukcję wsporczą nie nałożono żadnych dodatkowych obciążeń.

Detekcja zmian stanu mechanicznego modelu na podstawie odkształceń dynamicznych

Wymuszenia działające na duże konstrukcje są praktycznie niemierzalne. Uwzględniając ten fakt zdecydowano się, że w eksperymentach przeprowadzanych na modelu trójnoga pomiar impulsu siły wywołanego uderzeniem młotka nie będzie przeprowadzany. Wadą tego rozwiązania jest bardziej skomplikowana i mniej pewna analiza wyników, ponieważ przy analizie widmowej sygnałów pomiarowych niektóre piki częstotliwościowe mogą reprezentować wymuszenie a nie odpowiedź układu. Badania dynamiczne przeprowadzono dla szeregu uderzeń w różne miejsca konstrukcji. Równolegle została przeprowadzona numeryczna analiza modalna, którą porównano z wynikami eksperymentalnymi.

Sygnały odkształceń poddano następującej procedurze:

a)  wszystkie przebiegi czasowe czujników z rozet poddano standaryzacji tj. usunięto składową stałą a amplitudę sygnału przeskalowano tak aby jej wariancja była równa 1;

b)  obliczono dyskretną transformatę Fouriera ustandaryzowanych sygnałów w formie modułu podniesionego do kwadratu;

c)  kwadrat modułu transformaty DFT podzielono przez jej sumę i otrzymano znormalizowany kwadrat modułu transformaty DFT dla pojedynczego czujnika

d)  dodano do siebie wszystkie znormalizowane kwadraty modułu transformaty DFT czujników

e)  sumaryczne widmo wygładzono stosując funkcję średnią ruchomą typu wykładniczego.

Liczba czujników użytych w punkcie d) może być dowolna. Na poniższych rysunkach zbiór ten obejmuje wszystkie czujniki rozet.

Na Rysunku 5 przedstawiono widma częstotliwościowe pojedynczych czujników rozety jak i widmo średnie uzyskane z tych trzech czujników. Jedynie na widmie średnim pojawiają się wszystkie piki drgań w rozpatrywanym punkcie konstrukcji. Ze względu na kierunkowość światłowodowych czujników odkształcenia do poprawnego odwzorowania widma potrzebne są trzy czujniki w formie rozety dla nieznanego stanu odkształceń lub tylko dwa czujniki naklejone wzdłuż kierunków definiujących odkształcenia główne.

Rysunek 5.  Widmo częstotliwości uzyskane z jednej z rozet.Rysunek 6. Wzrost liczby drgań własnych po wprowadzeniu uszkodzenia.Na Rysunku 6  przedstawiono sumaryczne widma częstotliwościowe uzyskane przed i po wprowadzeniu uszkodzenia w trójnogu przymocowanym do stołu. Na podstawie wyników można łatwo stwierdzić pojawienie się nowych pików częstotliwości po wprowadzeniu uszkodzenia. Ten fakt został potwierdzony po przeprowadzeniu numerycznej analizy modalnej przedstawionej na Rysunku 7

Rysunek 7.  Wzrost liczby postaci drgań po wprowadzeniu uszkodzenia.Na podstawie powyższych wniosków zaproponowano wskaźnik uszkodzenia RMSD, który został zastosowany do obszarów gdzie pojawiły się nowe piki drgań, por. Rys Zd. Znając stan przed uszkodzeniem i po uszkodzeniu można obliczyć ten wskaźnik dla każdej rozety oddzielnie, por. lewą kolumnę na Rys Ze. Dla rozpatrywanego piku największe

Zmiany zaobserwowano na rozetach ub1_r i ts_r1 znajdujących się najbliżej uszkodzenia. Dla innych nowo powstałych pików wyniki nie były tak jednoznaczne.

Jeżeli stan początkowy jest nieznany można zastosować wskaźnik RMSD do porównania różnic w pikach dla tego samego stanu mechanicznego dwóch rozet, por. prawą kolumnę na Rys Ze. W tym przypadku największe różnice pomiędzy rozetami pojawiły się gdy jedną z rozet była ub1_r lub ts_r1. Ten przypadek jest o tyle ciekawy, że w problemach praktycznych nie wie się czy w momencie przyklejania czujników jest uszkodzenie w konstrukcji czy nie.

Rysunek 8.  Wyznaczenie obszarów gdzie pojawiły się nowe piki, które zostały zastosowane w obliczeniu wskaźnika uszkodzeń RMSD.Rysunek 9.  Wskaźnik uszkodzenia obliczony gdy stan przed i po uszkodzeniu został zmierzony (lewa kolumna) oraz . wskaźnik uszkodzenia obliczony dla dwóch różnych rozet w stanie po uszkodzeniu.Najlepsze wyniki wskaźnika RMSD dla nowego piku 189.5 Hz można wytłumaczyć przez pojawienie się silnie zlokalizowanej postaci drgań odkształcenia głównego gdzie maksymalne wartości odkształcenia uzyskuje się jedynie w otoczeniu węzła i rury z uszkodzeniem dla tej postaci drgań. W przypadku innych postaci drgań tak silne lokalne zmiany odkształcenia nie wystąpiły.