基于非线性气弹耦合模型的风力机随机响应分析

摘要

单机大型化是现代风力机发展的必然方向，但柔性构件（如叶片）对于机组气动力的影响及与之相对应的气动载荷变化对机组气动弹性的反馈成为不能忽略的问题。因此，寻求包含非线性变形效应的整机动力特性与气动弹性耦合分析的方法成为了风力机气弹分析的重要基础，也是大型风力机基础研究领域的热点问题。本文基于刚柔混合多体建模方法，结合风力机气动分析的叶素动量理论，建立了大型风力机整机气弹耦合模型，通过数值求解方法，对大型风力机气弹耦合时域响应进行了模拟。
　　首先构建了一种五自由度的超级单元，将柔性构件（叶片、塔架和主轴）离散为有限个超级单元，将轮毂、机舱等相对刚性的构件处理为刚体，采用混合多体系统(Hybrid Multibody System，HMBS)方法建立整机的多体系统的力学模型，通过R-W建模方法，结合叶素动量理论(BEM)计算叶片的空气动力载荷，有限的自由度，建立了整机的非线性气弹耦合动力学方程。编制了通用的动力学仿真程序并采用违约稳定法的数值求解方法，实现了大型风力机叶片的非线性气弹耦合时域响应分析。该程序能根据用于描述系统拓扑构型的输入数据自动建立和数值求解受约束的系统动力学方程（微分-代数方程组）。在风力机多体系统模型的基础上联合BEM气动模型得到气弹耦合模型，在对动力学方程进行数值积分每一时间步中，气动模型能实时地根据叶片各刚体的速度、角速度和姿态坐标（方向余弦阵）计算出作用在叶片各刚体上的气动载荷，并将其加载到瞬时变形的叶片中，实现了风力机的非线性气弹耦合时域响应分析。
　　算例以美国可再生能源实验室(NREL)发布的5MW近海风力机为研究对象，对其在运行工况下的非线性气弹响应进行了数值模拟。分析表明，大型风力机的叶片在随机风载荷作用下，其挥舞与摆振等均为大幅值的非线性振动，且随着风力机单机的功率不断增大、叶片的柔性不断增加，叶片的振动对叶片的气动力有强烈的反馈，二者间相互影响即气弹耦合越加明显。
　　基于时域响应的大型风力机气弹耦合分析，对于大型风力机叶片的设计和安全稳定运行具有重要的意义，也是进行风力机气弹稳定性分析的重要基础。本文的工作为进一步研究风力机非线性气弹失稳机理与气弹失稳影响因素，构建整机的气弹耦合分析模型提供有参考价值的思路和平台。

目录

摘要

物理量名称及符号表

第一章 绪论

1．1 风力发电机的发展史

1．2 风力发电的发展现状和发展趋势

1．3 计算多体系统动力学的进展

1．4 风力机非线性气弹耦合的进展

1．5 本文的主要工作

1．6 论文的主要框架

第二章 5MW风力机的超级单元模型

2．1 超级单元

2．2 超级单元各参数的确定

2．3 风力机的整机建模

2．3．1 柔性叶片的超级单元模型及其参数

2．3．2 塔筒的超级单元模型及其参数

2．4 本章小结

第三章 多体系统的动力学模型

3．1 模型的定义

3．2 多体系统拓扑构型的数学描述

3．2．1 铰与邻接物体

3．2．2 系统的分类

3．2．3 规则标号方法

3．2．4 树系统

3．3 风力机整机多体系统模型

3．4 本章小结

第四章 多体系统拉格朗日运动学与动力学方程

4．1 常见运动副的运动学

4．1．1 旋转铰

4．1．2 万向节

4．2 常用运动副的约束库

4．3 多体系统各刚体的姿态、角速度和角加速度

4．3．1 邻接刚体的相对姿态与相对转动

4．3．2 树系统各刚体的姿态、角速度和角加速度

4．4 树系统各刚体质心的位置、速度和加速度

4．5 多体系统动力学方程

4．6 增广体

4．7 转动铰有根树系统广义质量阵的化简

4．8 带约束项的多体系统拉格朗日动力学方程

4．9 动力学方程的数值求解

4．10 本章小结

第五章 仿真程序设计

5．1 概述

5．2 数据输入模块

5．2．1 描述系统的基本数据

5．2．2 仿真计算的工作数据

5．3 数据前处理模块

5．4 数值积分模块

5．4．1 方向余弦阵的计算

5．4．2 坐标阵的变换

5．4．3 运动学分析

5．4．4 广义质量阵的计算

5．4．5 广义力阵的计算

5．5 本章小结

第六章 风力机整机气弹耦合与载荷分析

6．1 气弹耦合

6．1．1 叶素-动量理论

6．1．2 叶尖损失与轮毂损失

6．1．3 气弹耦合

6．2 风速场的模拟

6．2．1 紊流风速场的模拟

6．2．2 风剪切的模拟

6．3 算例分析

6．3．1 气弹响应分析

6．3．2 内力及运动学分析

6．3．3 由本算例所得结论

6．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

致谢