一种风电机组构件受力状态的动态建模方法与流程

本公开的实施例涉及数字孪生建模，具体涉及一种风电机组构件受力状态的动态建模方法。

背景技术：

1、当前针对柔性构件构建数字化孪生模型是评估全寿命健康状态与疲劳损伤的主流手段，常规方法利用传感阵列配合物理降阶模型，将采集的时序信号转换为特征变量以推演应力分布，此类模型基于结构动力学特征，通过提取本征模态响应并在线组合，将有限元方程简化为低维空间内的线性叠加关系，从而加速虚拟空间的动态演进，然而，随着风电机组单机容量向10兆瓦级及以上发展，核心构件呈现明显的大跨度与高柔性特征，机组在突发湍流与偏航复合作用工况下，载荷在构件内部的传递产生剪切时延，使传感端采集的加速度时序信号相比于真实应力演变存在相位滞后，传统模型依循单向串联序列处理时序错位信号时，计算节点因缺乏纠偏机制而产生数值耗散，导致无法捕捉瞬态过载峰值，高频扰动特征发生均值化平滑，丢失了疲劳跟踪所需的保真度。

2、为弥补此损耗，增加物理测点或嵌套黑盒回归网络成为直观的改进思路，但增加测点提升了集成成本与总线带宽负荷，而黑盒网络在电磁干扰导致传感数据连续丢包的非理想环境下，因缺乏机理约束易引发计算发散与数值溢出，这就造成了模型时效性与保真度之间的根本性对立，若采用全量非线性方程迭代求解，必然产生计算阻滞，导致演进延迟无法控制在5ms以内，而若简化为传统线性降阶，则无法捕捉构件大形变下的非线性衍生效应，优化测点布设等硬件层面缓解信号采集局限外，虚拟模型仿真架构与拓扑调控等软件方法层面同样存在不足，例如，公开号为cn114281029a的中国发明专利申请公开了一种风力发电机的数字孪生系统和方法，依据现场传感器配置对初始模型开展自适应裁剪与整体数据转换，此类方案依赖构件线性变形或准静态承载的底层前提，将空间动力学解算简化为整体坐标系下的测点载荷推演，面对大兆瓦级柔性构件、突发湍流与偏航复合作用等高维非线性动态工况时，裁剪及转换路径无法感知构件内部因应力场传递时延产生的高频动态剪切响应，难以在不引发计算阻滞的情况下完成瞬态过载峰值实时反演，存在应用局限。

3、因此，如何重塑虚拟模型内部的数据流转序列，在降低系统计算复杂度的同时，实现兼具高抗干扰稳健性与较低延迟的应力场动态反演，成为本发明所要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本公开的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本公开的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。

2、本公开的一些实施例提出了一种风电机组构件受力状态的动态建模方法，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

3、第一方面，本公开的一些实施例提供了一种风电机组构件受力状态的动态建模方法，该方法包括：步骤s1，读取风电机组柔性构件上的传感器采集的物理响应时序数据；步骤s2，利用滑动特征窗口对物理响应时序数据计算高阶差分变换，生成高阶差分残差序列；在连续3个采样周期的数据丢失时，中断高阶差分变换并调取预存的历史截面参数作为边界锁定参数，将前一时刻沉淀的结构受力场状态向量与更前一时刻沉淀的结构受力场状态向量输入时序外推模型中，将前一时刻向量的2倍减去更前一时刻向量进行作差计算以生成数据盲区内的虚拟替代输入；步骤s3，将高阶差分残差序列或虚拟替代输入输送至模态空间映像模型的各个固有模态基节点中，根据单调映射规则将其转换为对应的模态参与系数；步骤s4，组合各个模态参与系数以在虚拟数字孪生空间内构造结构受力场状态向量，并传输至运维终端进行疲劳损伤演变分析；同时根据结构受力场状态向量的瞬态变化率更新滑动特征窗口的时间步长，在变化率大于预设阈值0.15时将下一时间步长缩减至当前值的一半，以对冲风电机组柔性构件的应力场传递时延。

4、优选的，在步骤s2中，进行高阶差分变换时，利用幅值监控算子实时监视高阶差分残差序列的代数幅值；当代数幅值发生突变并超过预设的变异系数边界时，判定高阶差分残差序列发生脱离物理因果的异常数值溢出，此时切断基于滑动特征窗口的实时高阶差分计算，并调用边界锁定参数以维持模态空间映像模型的收敛状态。

5、优选的，步骤s3包括以下子步骤：步骤s31，将高阶差分残差序列或虚拟替代输入至由多个相互正交的固有模态基节点构成的拓扑网络中；步骤s32，在各个固有模态基节点内部运行单调映射规则，通过残差序列或虚拟替代输入到模态参与系数的直接前馈映像，在计算单元中将反演延迟控制在5ms以内。

6、优选的，步骤s4包括以下子步骤：步骤s41，重构最新生成的结构受力场状态向量与历史结构受力场状态向量之间的双向依赖网络关系，以捕捉构件因累计疲劳引起的结构拓扑变异；步骤s42，依据虚拟数字孪生空间与真实物理空间之间的残差响应，修正模态空间映像模型内部的关联规则矩阵，完成自数据输入到尾端数据交付的闭环自适应调整。

7、优选的，风电机组柔性构件包括大兆瓦风电机组的叶根以及主轴、以及用以联接叶根或主轴的螺栓构件；物理响应时序数据包括在湍流与动态偏航复合作用下产生的高度非线性动态应力场数据，高度非线性动态应力场数据具体包括螺栓构件的预紧力松弛特征与轴向剪切复合应力状态。

8、优选的，滑动特征窗口包含固定数量的连续时间采样样本点；高阶差分变换通过对滑动特征窗口内的样本点进行多阶连续时间差分计算，提取出反映构件表层受力突变的时序高阶差分流，作为高阶差分残差序列。

9、优选的，在步骤s4中，通过标准数据通信接口将结构受力场状态向量传输至外部运维终端，以输入至后续的疲劳评估模块中进行计算。

10、优选的，静态历史截面参数包括在风电机组离线状态下通过有限元降阶模型预先标定并固化在通用处理单元中的结构应力分布特征常数阵列。

11、优选的，在步骤s3中，模态空间映像模型内部的关联规则矩阵通过离散时间序列的高阶差分特征匹配，取代多测点物理应变传感器方案，使连续动力学推演在虚拟数字孪生空间内转化为依循单调映射规则完成的离散特征数据流。

12、本公开的上述各个实施例具有如下有益效果：

13、1、在风电机组构件受力状态的动态建模中，接收端通过接收轮毂中心三向加速度时序信号并转换成高维状态张量，配合可变步长的滑动特征窗口，利用时序差分算子实施高阶差分变换，提取出表征结构瞬态应力突变的高阶扰动残差流，剥离低频刚体运动产生的常规包络，同时利用内置监视逻辑提取受力状态特征向量的瞬态变化率，在变化率大于预设阈值时触发步长截断，将下一时刻的时间步长缩减至原步长值的一半，使虚拟模型自动根据受力剧烈程度调整局部时空计算精度。

14、2、本征模态拓扑网络接收由前置步骤输出的高阶扰动残差流，将其作为唯一激励算子并行输入至网络内部各个独立模态节点中，各模态节点依据内部预设的单调确定性关联规则，直接将输入的残差向量转换输出为对应的模态参与特征值，避免在时间步内组装有限元刚度矩阵与求解非线性方程组，重塑虚拟模型内部的数据流转序列，使高维物理降阶模型在保持结构动力学特征的同时实现并行序向解决算，在计算单元中将反演延迟控制在5ms以内，消除全量非线性方程迭代产生的计算阻滞。

15、3、系统在计算高阶差分变换的同时，利用全局变量审计算子实时监视高阶扰动残差流的代数幅值，当传感链路突发中断或者受强电磁干扰导致连续三个采样周期的数据丢失，判定高阶扰动残差流发生异常数值溢出时，强制激活安全降级兜底逻辑，切断基于滑动特征窗口的实时高阶差分计算流，直接调取预存的静态历史截面标定参数作为边界锁死锚点，结合前一安全时刻沉淀的受力状态特征向量实施一阶线性时序外推，作为当前数据盲区内的虚拟替代输入，以此维持拓扑状态机的收敛状态。