基于多体动力学的风力机结构动态响应分析

摘要

随着风力机朝大型化方向发展,相应的叶片长度和塔架高度也在不断的增加。风力机叶片和塔架向更具柔性的方向发展。风力机在不同的工况下运行时,在时变载荷的作用下风力机的结构会产生振动和变形,这将影响风力机自身的气动性能和结构强度。因此,精确预测风力机结构尤其是柔性部件(叶片和塔架)在正常运行工况下的时变载荷及其结构动力响应,对风力机的设计和分析具有重要的工程意义。
　　本文首先对风力机叶片在定常工况下基本的空气动力特性进行分析,先后介绍了叶素—动量理论及其各种修正方法,同时简要分析了湍流强度模型和叶片动态入流。然后根据修正后的叶素动量理论对作用在风轮叶片上的气动载荷进行计算。
　　将叶片和塔架离散为由带有力元弹簧和阻尼器的铰连接的有限个刚体,其中弹簧和阻尼器的特性参数运用超级单元方法进行分析,并利用材料力学弯曲梁挠曲线方程导出了弹簧刚度计算公式。
　　利用拉格朗日方程建立运动方程,通过模态分析得到叶片固有频率和振型,考虑了塔顶风轮和机舱作为质点与塔架耦合后的塔架固有动力特性。并研究了超级单元的单元数量对于计算效率和结果精度的影响。
　　在计算出结构所受外部时变载荷的基础上,运用Newmark法编制了相应的计算程序分别对风力机叶片和塔架的动态响应进行了计算。并分析了影响叶片在平面内外的叶尖位移的载荷因素。
　　文中以5MW水平轴风力机为例,仿真了其在湍流风场作用下的发电工况,获得了叶片和塔架的时变动态载荷和结构动力响应。本文计算结果和著名商业软件GHBladed的计算结果进行了对比,取得了一致的仿真结果。算例分析表明,超级单元法以较小的计算量,就能得到满足精度要求的解;混合多体动力学建模方法能较好地分析和描述柔性叶片弹性变形对其运动特性的影响,以上工作为风力机气动弹性稳定性分析和控制系统设计提供了实用的分析方法。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

符号表

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 风力机国内外发展现状

1.3 风力机发展的技术趋势

1.4 本文选题背景和意义

1.5 本章小结

第二章 风力机空气动力学基础

2.1 风力机空气动力学基本理论

2.2 湍流强度模型

2.3 动态入流

2.4 本章小结

第三章 风力机结构动力学基础

3.1 风力发电机组动态分析规则

3.2 结构动力学运动方程

3.3 刚柔混合多体系统动力学模型

3.4 结构固有动力特性分析

3.5 运动方程的求解

3.6 本章小结

第四章 水平轴风力机的载荷计算

4.1 作用在风力机上的载荷

4.2 建立局部坐标系

4.3本章小结

第五章 风力机结构特性及动态响应分析

5.1 算例

5.2 风力机叶片的动力学分析

5.3 塔架结构特性分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录A 5.0MW风力机叶片主要参数

附录B 翼型气动力系数

致谢

硕士期间发表的论文

个人简历