考虑截面变化及扭转反馈的风力机叶片动态响应分析

摘要

首先通过BEM修正模型，分析轴向诱导因子和切向诱导因子在不同风速情况下，不同翼型截面处的变化机理。考虑大型风力机叶片截面刚度、线密度非均匀变化，以及柔性扭转变形对攻角的影响作用。随之在动态入流模型下对诱导因子、升阻力系数、动态气动荷载进行分析计算，建立适合风机叶片动态响应的荷载模型。分别分析叶片在不考虑截面变化和扭转反馈的动态响应、只考虑截面变化的动态响应、只考虑柔性扭转反馈的动态响应，以及同时考虑截面均匀变化和扭转变形反馈的动态响应。运用MATLAB进行编程，对NREL5MW风力机进行动态诱导因子和结构动态响应计算。对模拟出的动态响应的计算结果对比并分析。说明考虑叶片截面变化的必要性和准确性。主要做了以下方面的工作:
　　(1)在经典叶素动量理论修正模型的基础上，迭代求解出在动态风速变化过程中诱导因子的渐变机理，运用MATLAB软件进行编程，对NREL5MW大型风力机叶片各个翼型截面进行动态诱导因子计算，建立起诱导因子的动态描述，对其进行修正，得到适合柔性叶片翼型的动态气动模型及分析方法。
　　(2)确定风力机叶片的有限元梁分析模型，通过模态计算方法，分别求解叶片在额定风速和转速时的稳态模型下，采用17个、34个、68个单元数计算与采用考虑截面刚度和密度非均匀变化、及根据给点的结构参数采用风机设计软件GH-bladed的固有频率变化和振型变化的特点对比分析。揭示在建立模态质量矩阵和模态刚度矩阵考虑截面变化的准确性和必要性。
　　(3)确定大型风力机叶片的荷载模型，考虑动态翼型的绕流物理特性，对半经验下的Lcshman模型进行修正，较好的预测出翼型的动态气动特性，用于在湍流风况下的叶片动态气动荷载进行分析计算，得出适合于风机叶片动态响应分析的荷载模型。
　　(4)确定大型水平轴风机柔性叶片结构反馈模型，叶片发生的扭转变形会引起翼型截面的攻角的变化，进而直接影响叶片受到的气动荷载。在给定的湍流风速模型下，分别就既不考虑截面变化，也不考虑扭转变形反馈；只考虑截面变化，但不考虑扭转变形反馈；不考虑截面变化，只考虑扭转变形反馈；既考虑截面变化，也考虑扭转变形反馈的四种模型的计算结果作对比，并分析考虑截面变化和考虑扭转变形反馈的影响作用。
　　(5)采用不同结构和气动模型时，对比模拟出的叶片在启动和停机时的动态响应。进一步验证考虑截面变化和考虑扭转变形反馈的必要性。

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第一章绪论

1.1 选题背景与意义

1 .2国内外研究现状

1 .3论文的主要内容

1 .4本章小结

第二章风力机叶片的基本理论

2 .1叶素动量理论

2 .2叶素动量理论的修正

2. 3 诱导因子的求解和验证

2 .4本章小结

第三章梁理论的叶片分析模型

3 .1叶片的空间梁单元

3 .2叶片的模态分析及验证

3 .3本章小结

第四章叶片有限元模型的荷载计算

4 .1风力机坐标系统

4 .2叶片荷载分析计算

4 .3动态失速的影响

4 .4动态入流的影响

4 .5本章小结

第五章柔性叶片结构的动态响应分析

5.1 wewmark 方法理论和程序实现

5 .2气动及结构阻尼

5 .3动态响应分析

第六章总结与展望

6 .1总结

6 .2展望

参考文献

致谢