风力机叶片在气动力作用下的弯—弯—扭耦合振动分析

摘要

叶片是风力机最重要的部件之一，设计良好的叶片是风力机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础。
　　叶片是风力机受力最为复杂的部件。风力机运行中，叶片受气动力、弹性力和惯性力的耦合作用，以及其展向长、弦向短、刚度小等结构特点，使得叶片易发生颤振，从而导致风力机叶片毁坏。
　　因此，本文把风力机叶片简化为悬臂梁，主要考虑结构大变形带来的几何非线性，建立了弹性旋翼的弯-弯-扭耦合梁非线性运动微分方程，从具有预弯曲和扭转的运动及其变形的精确描述出发，由Hamilton原理导出了旋转叶片的精确方程，由此建立了旋转叶片的混合变分公式。
　　使用ANSYS软件对旋转悬臂梁做了模态分析和流-固耦合分析。通过模态分析得到了前两阶固有频率与连续梁偏微分方程求解出的前两阶固有频率对比，结果基本符合。
　　通过流-固耦合分析得到了恒定风速和转速下随攻角变化的叶片应力和位移的变化曲线，以及恒定攻角和转速下随风速变化的叶片应力和位移的变化曲线，所得结果可为风力机叶片设计提供参考数据。

目录

风力机叶片在气动力作用下的弯-弯-扭耦合振动分析

FLEXURAL-FLEXURAL-TORSIONAL COUPLING VIBRATION OF WIND BLADES SUBJECTED TO AERODYNAMIC FORCES

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 本文研究目的和意义

1.3 世界风力发电的发展概况

1.3.1 世界风力发电的历史

1.3.2 世界风力发电的现状和趋势

1.3.3 我国风力发电的现状和趋势

1.4 叶片气动弹性稳定性的研究现状

1.5 本文主要内容

第2章 三维非线性数学模型的建立

2.1 无铰链转子叶片的结构参数

2.2 动力学方程的推导

2.2.1 坐标系

2.2.2 应变能的表达式

2.2.3 动能表达式

2.2.4 气动力

2.2.5 气动力载荷

2.2.6 求解固有频率

2.3 本章小结

第3章 悬臂梁叶片的模态分析

3.1 有限元理论概述

3.2 关于模态分析的注意事项

3.3 悬臂梁叶片的模态分析

3.4 本章小结

第4章 三维风机叶片的实例流固耦合分析

4.1 流固耦合介绍

4.2 悬臂梁叶片流固耦合实例分析

4.2.1 风机叶片的ansys实例建模以及前处理

4.2.2 风速恒定且转速恒定仅攻角变化时的叶片流固耦合分析

4.2.3 攻角恒定且转速恒定仅风速变化时的叶片流固耦合分析

4.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢