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1、崔永峰，王海华，高婕 风 电场增效技 术方案研 究 文章编号：1 0 0 6-2 6 1 0(2 0 1 6)0 2 0 0 9 0 0 4 风 电场增 效技术方案研 究 崔 永 峰，王海 华，高 婕 (中国电建集 团西北勘测设计研究院有限公司，西安7 1 0 0 6 5)摘要：许多已建成风电场在实际运行过程中出现发电量偏低的情况，笔者深入分析了造成这一情况的原因，提出 风电场可行的增效措施，并以实际工程为例详细说明了风电场增效技术方案的实施过程，同时对增效方案的可行 性进行技术经济分析，为各企业提供决策依据。关键词：风电机组；增效技术；控制运行；叶片 中图分类号：T K 8 3；T M 6
2、1 4 文献标识码：A D O I：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 2 6 1 0 2 0 1 6 0 2 0 2 3 S t u dy o n Te c hno l o g y f o r I n c r e a s i n g Po we r Ge ne r a t i o n o f W i n d Po we r Pl an t C UI Yo n g f e n g，WANG Ha i h u a，G AO J i e (N o r t h w e s t E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i m
3、i t e d，X i a n 7 1 0 0 6 5，C h i n a)Abs t r a c t：L o w p o we r g e n e r a t i o n i s f o u n d i n t h e a c t ua l o pe r a t i o n o f wi n d p o we r p l a nt s wh i c h a r e b u i l t Ca u s e s f o r t h i s i s s ue are a n a l y z e d an d me a s u r e s for i n c r e a s i n g t h e p
4、 o we r g e n e r a t i o n a r e p r o p o s e d a c c o r d i n g l y Me a n w h i l e，t h e i mp l e me n t a t i o n C O U l S e o f t h e t e c h n i c a l s c h e me for i n c r e a s i n g t h e p o we r g e n e r a t i o n o f t h e w i n d f a r ms a r e d e s c r i b e d i n d e t a i l w
5、i t h e x a mp l e s o f a c t u al p o w e r p l a n t s as w e l l as t h e f e a s i b i l i t y o f t h e s c h e me f o r i n c r e a s i n g t h e p o we r g e n e r a t i o n i s a n aly z e d t e c h n i c a l l y a n d e c o n o mi c all y T ho s e pr o v i d e c o mp a ni e s wit h d e c i
6、 s i o n ma k i n g b a s i s Ke y wo r d s：WTG；t e c h n o l o g y for i n c r e a s i n g p o w e r g e n e r a t i o n；c o n t r o l o p e r a t i o n；b l a d e 0 H l J 自2 0 0 6年 可再生能源法 颁布 实施 以来，中 国风 电事业取得了举世瞩 目的成绩，“十一五”期间 连续 5 a实现翻番增长，并于 2 0 1 0年底超越美 国成 为世界第一风电大国 J。截止 2 0 1 5年 3月底，全 国 风电累计并 网装机容
7、量超过 1亿 k W，约 占全 国 电 力总装机容量 的7 ，是继火 电、水电之后 的第 三大 主力电源。然而，风电作为时间尚短的新型产业，在高速的 发展过程 中，一方面受制于早期并不十分成熟 的技 术评估手段，另一方面由于早期采用的风电机组比 当前的风电机组效率偏低等因素，使得许多已建成 收稿 日期：2 0 1 6-0 1 2 0 作者简介：崔永峰(1 9 8 7 一)，男，陕西省户县人，助理工程师，从 事风能资源评估丁作 风电场通过改造，发电量会有一定的提升空间。目前，许多企业正积极开展风电场改造工作，以提升 已建成风电场的发电量，但改造方 案需要一定 的投 入，风电场改造后很有可能存在投
8、资大于收益 的情 况，得不偿失。因此，针对风电场改造需进行可行性 分析研究工作 J。1 问题提 f 风电场在实际运行过程 中时常会 出现实际年上 网电量低于设计水平 的情况，这 主要有 以下 4个方 面的原因：一是风 电场存在限电情况；二是该年可能 为小风年；三是风电场风 电机组频 繁出现故 障停机 等；四是风电场设计存 在一定 问题。本次主要针对 风电场设计存在 的问题，发散思维、开拓思路，提 出 风电场增加发 电量的改进措施。目前，由于设计 问题导致风 电场发电量偏低主 要有 2方面原因：西北水 电 2 0 1 6年 第 2期 9 1 (1)早期未有高效率风机；(2)风机布置不合理，这是设
9、计 可能 出现的主 要问题。具体表现在：风机排布过密，尾流损失 较大，发电量减小；风机排布过密，在增加尾流损 失的同时，会增加全场湍流强度，有时会出现风机共 振情况，使风机运行不畅；在微观选址阶段，对风 电场风资源评估不准确，将风机布置在风资源较差 的位置；受后期在该风电场周边建立的多个风电 场的尾流影响，使得该风 电场区域风能减弱，发 电量 减小。2 风电场增效措施 随着中国风电事业的飞速发展，各大风机厂家 在风电机组研发方面取得了巨大成就，风机的单机 容量不断地被扩大、叶片长度不断地被增加、塔筒高 度不断地被抬高、风电机组的运行控制策略不断地 被优化等。这些新思路、新技术、新创造的出现给已
10、 建成风电场的增效改造提供了可能性。对于已建成的风 电场，受制于早期并不十分成 熟的技术评估手段和采用效率偏低的风电机组，使 得部分早期风电场发电量并不十分理想，存在很大 的提升空间。各大风机厂家也都在积极探索，不断 地提出风电场增效的措施和改造方案。目前，风 电 场增效的主要措施可以分为两大类：一是从风电机组运行控制的角度出发，主要包 括：最佳桨距角调整优化、偏航控制优化、风机运行 维护管理、降低风电机组 自耗电等，这些措施一般可 提升风电场发电量 2 一 3 _ 5 。二是从风电场设计优化的角度出发，主要有：重新优化布置机位 J，将风机布置在风能更优 的 位置；抬高风机塔筒高度，获取更大
11、的风速；采用更长叶片，以增加风能捕 获面积 J。对于 已 建成 的风 电场而言，前 2种措施一方面投入成本较 大，另一方面受 占地、基础荷载及安全性 等条件 限 制，不容易实施。而第种措施是一种能高效地提 升风 电场发 电量的方法，并且最容易实施。本次主要结合甘肃瓜州某风电场增效改造方案 分析研究风电场加长叶片增 效技术方案 的实 施过 程，以及探讨改造方案的技术经济可行性。3 工程实例 3 1 项 目基本情况 甘肃瓜州某风电场场址位于酒泉地区瓜州县城 西北约 2 0 k m 处，场址 区北 高南 低，海 拔 高 度 在 1 2 1 0 O 01 2 8 0 O 0 m之间，场地开阔，地势平坦
12、。根据风能资源评估结果，该风电场风机轮毂高度 处 代表年平均风速为 7 2 7 3 m s，风电场安装了 3 3 台 WT G 一 7 7 1 5 0 0 k W 型风力发电机组，总装机规模 4 9 5 MW，风 电场 可研 阶段 设 计 年 上 网 电量 为 1 1 7 3 6 8 7 Y k wh，年等效满负荷小 时数为 2 3 7 1 h，容量系数为 0 2 7。该风电场于 2 0 0 8年 3月建成投 产，由于风电场区域限电十分严重，实际运行中年上 网电量较差。企业希望利用现有的先进技术手段、风电机组研发经验对风 电场进行适 当改造，以提 升 发电量，增加收益。除了对风 电场风 电机组
13、运行控 制进行优化外，针对该风 电场增效技术措施 的实 际 可操作性，本次初步推荐采用加长叶片改造方案。3 2 方案确定 通过与风机厂家 沟通，采用更长 叶片主要有 2 种方案：一是直接更换更 长的叶片，比如将原有 7 7 机型叶片(叶片长度为 3 7 5 m)直接更换为 8 2机型 叶片(叶片长度为 4 0 3 m)；二是在原有叶片根部增 加 1 节套管，以延长叶片的长度。该风电场所采用机型为 WT G一 7 7 1 5 0 0 k W 型 风电机 组，轮毂 高 度 为 6 1 5 m。结合 风 机 厂 家 1 5 0 0 k W型几种风机类型，主要包括 WT G一 7 7、WT G 一8
14、2、WT G 一 8 9，几种机型机组参数对比见表 1。表 1 风机 厂家 1 5 0 0 k W 几种机型机组参数对 比表 机 型 叶片 塔 m 变 W 进 此 K I m s J 蚀 J 曼 W T G 一 7 7 F D、上玻院、L M、惠 腾6 1 5、7 O 1 0 4 4 2 7 5 I E C A 类 W T G 一 8 2 A e m d y n 4 0 3 6 1 5、7 0 l O 4 9 4 7 4 5 0 7 5 I E C A 类 W T G 一 8 9 F D 4 3 5 7 O 1 1 0 6 0 6 0 I E C A 类 由表 1可知，WT G 一 8 9 1
15、 5 0 0机型的设计年平均 风速为 6 0 m s，塔筒高度为 7 0 m。综合考虑该风 电场风况特征和各机组适用性情况，本次初步推荐 风电场风机提效加长 叶片方案为：叶轮直径由 7 7 m 更改至 8 2 m。具体有 2种方案：方 案 1，将原有 7 7 机型叶片直接更换为 8 2机型 叶片；方案 2，在原有 7 7机型叶片根部增加 1节 2 5 m长的套管，使叶轮 直径达到 8 2 m。3 3 年上网电量估算 本次设计采用 WT 4 6版本软件进行发电量计 算，采用 2 座场内测风塔代表年的测风数据、现场实 际风机布置方案及 1：2 0 0 0地形图，采用不同方案 机型当地空气密度下的功
16、率曲线和推力系数曲线进 崔永峰，王海华，高婕 风 电场增效技 术方案研 究 行发 电量计算，得到本风电场各不 同方案风机的理 论年发电量和风机尾流干扰后的年发 电量。经综合折减后，得到该风 电场 4 9 5 Mw 工程风 机提效方案。方案 1的年上 网电量为 1 1 1 9 4 3万 k ，年等效 满负荷小时数为 2 2 6 1 h，容量 系数为 0 2 6。方案 1比原方 案年上 网电量增加 1 0 2 3 1万 k Wh，年等效满负荷小时数增加 2 0 6 h，发 电量增加 了 约 1 0 1；方案 2比原方案年上网电量增加 6 4 7 6万 k Wh，年等效满负荷小时数增加 1 3 1
17、h，发 电量增加 了 约 6 4。风电场不 同方案发电量成果见表 2。表 2 不同方案发电量计算成果对比表 注：年上l碉电量计算暂不考虑限电影响。3 4方案 安全 性校 核 改造方案的技术可行性还需进行风机改造后的 安全性校核，主要包括基础荷载校核和风机部件安 全性校核。3 4 1风 机基 础 载荷校 核 该风电场 已施工完成 的风机基础体型为：钢筋 混凝土扩展基础，混凝土采 用 C 3 5 W6 F 2 0 0，基础 高 3 9 m。基础底部为直径 1 5 0 1T I，高 1 2 m 的圆柱；中间为底面直径 1 5 0 m，顶面直径 6 0 F F I，高 0 7 m 的圆台；上部为直径
18、6 0 m，高 2 0 m的圆柱。根据厂家提供的不 同方案基础设计要求资料，通过分析计算可知，采用方案 1，各工况下地基承载 力、地 基变形、基础抗 滑稳定、抗倾覆稳 定、裂缝 宽 度、抗剪、抗冲切、疲劳强度等各项指标均满足设计 要求；采用方案 2，正常运行荷 载工况、极端荷载工 况和罕遇地震下地基承载力、地基变形、基础抗滑稳 定、抗倾覆稳定、裂缝宽度、抗剪、抗 冲切、疲劳强度 等各项指标均满足设计要求，而多遇地震工况下，基 底脱空比例e R O 2 5，不满足规范要求，因此，方案 2不可行。综上所述，方案2理论计算不可行，方案 1 虽然 在理论计算上满足设计要求，但其在地震工况下的 基底脱空
19、比例 e R=0 2 2 4，已处于临界状态。这从 另一角度也说明该风电场叶片更改的最大长度为 4 0 3 m 3 4 2风机 部件 安 全性校 核 风机各部件安全性 校核 由风机厂家完成，根据 厂家复核结论：方案 1，风 电场 WT G一 7 7机组 更换 8 2叶片后，各部件极限及疲劳载荷均满足安全性要 求；方案 2，风场 WT G一 7 7机组 叶片增加 2 5 m长过 渡段后，各部件极限及疲劳载荷均满足安全性要求。3 4 3方案荷载校核结论 本次分别对 2种方案进行 了基础载荷校核和风 机部件安全性校核，根据厂家对风机各部件安全性 校核结论，2种方案各部件极限及疲 劳载荷均满足 安全性
20、要求。通过基础载荷校核，2种方案 各工况 下地基承载力、地基变形、基础抗滑稳定、抗倾覆稳 定、裂缝宽度、抗剪、抗 冲切、疲劳强度等各项指标均 满足设计要求。但方 案 2在多遇地震工况下，基底 脱空 比例 e R O 2 5，不满足规范 要求；方案 1虽然 在理论计算上满足设 计要求，但其 在地震工况下 的 基底脱空比例 e R=0 2 2 4，也 已处于 临界状态。本 次暂假定 2种方案基础载荷校核和风机部件安全性 校核均满足要求，在后期可通过基础加强措施使方 案可以实行。3 5 改造 方 案施工 过 程 在改造方案可 以满 足工程安全性要求条件下，就可 以提出改造方案 的实施过程，2种方案实
21、施过 程大同小异：(1)叶片更换，方案 1是将原 WT G一 7 7 1 5 0 0机 组的 3 7 5 m长叶片直接换成 4 0 3 m长叶片；方案 2是在原 3 7 5 m 叶片叶根处加 2 5 m长钢制过渡 段，使风轮直径 由原来的 7 7 m延长至 8 2 1 1。这一 过程需要对叶片进行拆装，会产生吊装费用。(2)变桨系统部分原件更换，方案 1和方案 2 均需对变桨电机、变桨电机热继电器、充 电器单项 电 流监视继 电器等部件进行更换，这些部件更换需在 安装新叶片之前完成。此外，方案 2还需要在机舱 底部的偏航驱动系统内安装 1 个偏航 电机和 1 个齿 轮箱。(3)检验、调试工作，
22、对改造方案安装的设备进 行检查验收，并进行软件、程序升级以及运行调试工 作。通过对改造方案实施过程进行分析，可 以初 步 确定改造方案的工期，根据改造工期可 以估算 出改 造方案实施过程中损失 的发 电量，该损失可在财务 分析中适 当考虑。西北水 电 2 0 1 6年 第 2期 9 3 4 改造方案的经济分析 4 1 改造方案投资概算 技术 的可行并不代表方案可以实施，还必须考 虑方案的经济性，要对投入 和收益进行 可靠 的经济 分析，最终确定风机提效方案 的可行性。根据 2种方案实施过程，初步估算 了 2种方案 的投资费用，见表 3。表 3 单 台风机改造实施费用估算表 万元 由表 3可以看
23、 出，方案 1单 台风机改造费用为 1 5 9万元，方案 2单台风机改造费用为 7 8万元。4 2方 案财务 分析 该风 电场改造措施主要考虑 2种技术方案：方 案 1(将原有 7 7机型 叶片 直接更 换 为 8 2机型 叶 片)，增加一次性 改造投资为 5 2 4 7万元，年上 网电 量增加 1 0 2 3 1万 k wh；方案 2(在原有 7 7机型叶片 根部增加 1 节 2 5 m长的套管，使 叶轮直径达到 8 2 m)，增加一次性改造投资为 2 5 7 4万元，年上 网电 量增加约 6 4 7 6万 k wh。4 2 1 财务分析方法 按 建设项 目经济评价方法与参数(第 3版)及现
24、行的有关财税政策，对风机改造方案进行财务 分析。风电场目前已经运行 7 a，改造后运行期按照 1 5 a 考虑。改造投资占风电场总投资比例较小，改 造后风电场运行方式不变。评价主要计算改造项目投资的财务内部收益率 和财务净现值。项 目基准收益率采用 8 。项 目现金流人为风电场改造后每年增加的发电 销售收入。风机改造工期较短，暂不考虑改造期间 对发电量的影响。原风电场属于风电特许权试点项 目，按特许权 中标电价 0 5 1 8 k wh(含税)计算。项 目现金流 出主要为改造投资、增加的运营成 本等费用及增值税、营业税金及附加。项 目改造后 增加的运营成本暂按改造投资的 0 5 考虑。增值 税
25、税率为 1 7 ，适用“即征 即退 5 0”的优惠政策，营业税金附加包括城市维护建设税和教育费附加，以增值税税额为计征基数。本项 目城市维护建设税 税率取 7 ，教育费附加费率取 5 (含地方教育费 附加 2)。4 2 2财务分析结果 方案 1：改造投资为 5 2 4 7万元，新增年上 网电 量约 1 0 2 3 1万 k wh，若再考虑原有 叶片转售后可 获取 约 8 2 5万 元 收 益，项 目财 务 内部 收 益 率 为 6 1 8，财务净现值为一 4 4 4万元。方案 2：改造投资为 2 5 7 4万元，新增年上 网电 量 约 6 4 7 6万 k wh，项 目财 务 内部 收 益 率
26、 仅 为 7 7 0，财务净现值为一 4 3万元。各方案财务指标汇总见表 4。表 4财务指标表 由表 4可 以看出，目前 2种改造方案对风 电场 进行改造后产生的财务净效益均为负值，也就是说 改造并不能带来经济收益。5 结论与建议 5 1 结 论 本文深入分析了部分风电场实际年上网电量偏 低的原 因，提 出了 目前可行 的风 电场增效措施，并 以 甘肃瓜州某风电场为例详细说明了风电场增效改造 方案的实施过程。最后，通过技 术经济分析确定改 造方案的可行性。虽然笔者论证了本工程的改造方案并不能给企 业带来经济效益，但并不代表该方案在其它风电场 应用不经济，这与风电场 自身的特征、原有的建设条 件
27、以及风电机组设备价格等因素有关。比如本风电 场如果在风机安全性满足要求的条件下更换更长的 9 4 崔永峰，王海华，高婕 风 电场增效技术 方案研 究 叶片，在成本增加并不太多但 又能较大增加发 电量 收益的情形下，加长 叶片的改造方案会有一定 的经 济收益。5 2建议 建议企业在尝试对风电场改造之前，开展改造 方案技术经济可行性研究工作，避免 因盲 目投资而 造成 的经济损失。建议风机厂家进一步降低风电场 改造的设备成本，设计单位最大化地优化改造方案，施工单位尽可能地控制施工成本，使得风 电场增效 技术方案切实可行。参考文献：1 李俊 峰，蔡丰波，乔黎 明，等 中国风电发展报 告 R 北京：中
28、 国环境科学 出版神，2 0 1 3：1 1 0 2 高崇伦，吴进钏，张小雷，许霞 提高低风速风电场发电量措施 研究 J ，风能，2 0 1 3(8)：5 6 5 9 3 崔晓志，王华 君 风电机组 叶片加 长改造的可行性 及成本效益 分析 J 风能，2 0 1 3(1 1)：9 4 1 0 0 4 赵 忠焕，张丽慧，张珥 大唐锡盟：让风 电场效益 最大化 J 风 能，2 0 1 4(1 2)：3 6 3 7 f 5 1 芮晓明 风力发 电机组设计 M1 北京：机械工、世出版社，2 0 1 0 6 张志英，赵萍，李银凤，刘万琨 风能与风力发电技术 M 北 京：化学工业 出版社，2 0 1 0
29、7 舒进，郝治国，张保会，等 风电场的集群功率优化控制 J 中 国电机工程学报，2 0 1 2，3 1(3 4)：1 0 1 9 8 李 晓燕 兆瓦级 风力 机偏航 控制 系统设计 研究 D 上海：上 海交通大 学，2 0 0 6 9 高梁 风力 发 电机组 控制 技术 的研究 D 成 都：西华 大学，2 0 0 8 1 O 叶杭 冶 大 型并 网风力发 电机组控制算法 研究 D 杭州：浙 江大学，2 0 0 8 1 1 胡冬 良，赵成勇 变速恒 频风力 发电机组输 出特性 分析 J 华北 电力大学学报，2 0 0 8(0 4)：1 6 1 2 耿华，杨耕 变速变桨距 风 电系统的功率水 平控
30、制 J 中国 电机T 程学报，2 0 0 8(2 5)：1 3 0 1 3 6 1 3 陈皓勇，王锡 凡 机组组 合问题 的优化方法 综述 J 电力 系 统 自动化，1 9 9 9，2 3(4)：5 1 5 6 1 4 马春 兰 风力 发 电场 风机 排 布优化 分 析 J 能 源与 节能，2 0 1 5(4)：8 1 8 2 1 5 赵伟然，徐青山，祁建华，周琦 风电场 选址 与风机 优化排 布 实用技 术探讨 J 电力科学与工程，2 0 1 0(3)：1 4 1 6 李大 明 风 电场 设计 优 化方 法初 探 J 科技 创 新 与应 用，2 0 1 5(1 3)：9 3 9 5 (上接第
31、 8 4页)4 结语 以碧口大坝监测资料为例，在传统统计模型中 引入单位阶跃函数，修正为阶跃 函数监测模 型。同 时建立传 统统计 模型 和阶跃 函数 监测 模 型，利 用 m a t l a b软件分别进行逐步 回归分析，比较 两者模 型 精度与拟合效果，并运用阶跃 函数监测模型分离出 地震分量，以分析地震对 大坝竖 向位移 影响性态。分析结果表明，阶跃 函数监 测模 型回归分析效果远 优于传统统计模型，回归计算参数更为合理、拟合效 果好，计算分析成果符合相关实验规律，可供类似监 测项 目参考使用。参考文献：2 3 4 李祖斌，黄淑贞 一般函数的单位阶跃函数表达式 J 集美航 海学院学报，1
32、 9 9 4，1 2(1)：7 1 7 4 田社平，陈洪亮，李萍 阶跃 函数的定义及其在零点的取值 J 电气电子教学学报，2 0 0 5，2 7(2)：3 8-4 0 陈德平，韩云峰，雷剑，等 碧 口土 石坝竖 向位移监 测的逐步 回 归模型拟合与分析 J 两北水力发电，2 0 0 6(2 2)：1 4 2 1 4 5 杨金凯，包腾飞，朱凯，等 棉花滩碾压混凝土重力坝裂缝计阶 跃函数监控模型 J 水电能源科学，2 0 1 3，3 1(1 O)：6 7 6 9 5 徐 波，程琳，荆凯 岩滩大 坝钢板计 阶跃 函数 监控模 型 J 水 电能源科学，2 0 1 0，2 8(2)：7 5 7 7 6
33、陈龙 溢流坝段水 平位 移?昆合模 型 的建立 J 大坝 与安 全，2 0 0 3(0 1)：6 0 6 2 7 李铮，李宏恩，袁启旺，等 阶跃 函数模型在龙 江水 电站压 力钢 管监 测中的应用 J 水 电能源科学，2 0 1 1，2 9(7)：9 7 1 0 0 8 熊艳艳，吴先球 粗 大误差 四种判别准则 的比较 和应用 J 大 学 物理实验，2 0 1 0，2 3(1)：6 6 6 8 9 梁 晓红 轧辊测量 数据粗差剔 除 的 3 应用研 究 J 科 技 信 息，2 0 0 6(1 2)：6 6 6 8 1 O 许 贝贝，崔晨 风 大坝 自动化 监 测 数据 粗差 处 理 方法 研
34、究 J 测绘地理信息，2 0 1 5，4 0(2)：5 9 6 1 1 1 覃欣，熊娟 L a b V I E W 数据处理 中 3 o准则 的应用 J 中国测 试，2 0 0 9，3 5(5)：6 6 6 9 1 2 陈容，刘林 震后碧 口大坝 安全监 测资料分 析 J 大坝与 安 全，2 0 1 1(0 3)：4 3 4 6 1 3 朱晟，石高峰，周建平 碧口心墙堆石坝抗震复核分析 J 岩 石力学 与工程学报，2 0 1 1，3 0(增 1)：2 9 5 4-2 9 6 2 1 4 陈宁，杨正权，袁林娟，等 两河 口水电站高土石坝地震反应 地震模拟振动台模型试验研究 J 水利水电技术，2 0 1 0，4 1 (1 0)：8 0-8 6 1 5 杨正权，刘小生，汪小 刚，等 高土石坝地震 动力反应特性大型 振动台模型试验研究 J 水力学报，2 0 1 4，4 5(1 1)：1 3 6 1 1 3 7 2 1 6 刘福海土石 坝地震 破坏机理振动 台试验研究 D 大连：大 连理工大学，2 0 1 2