基于非線性氣彈耦合模型的風力機隨機響應(yīng)分析.pdf

1、單機大型化是現(xiàn)代風力機發(fā)展的必然方向，但柔性構(gòu)件（如葉片）對于機組氣動力的影響及與之相對應(yīng)的氣動載荷變化對機組氣動彈性的反饋成為不能忽略的問題。因此，尋求包含非線性變形效應(yīng)的整機動力特性與氣動彈性耦合分析的方法成為了風力機氣彈分析的重要基礎(chǔ)，也是大型風力機基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的熱點問題。本文基于剛?cè)峄旌隙囿w建模方法，結(jié)合風力機氣動分析的葉素動量理論，建立了大型風力機整機氣彈耦合模型，通過數(shù)值求解方法，對大型風力機氣彈耦合時域響應(yīng)進行了模擬。

2、r>　　首先構(gòu)建了一種五自由度的超級單元，將柔性構(gòu)件（葉片、塔架和主軸）離散為有限個超級單元，將輪轂、機艙等相對剛性的構(gòu)件處理為剛體，采用混合多體系統(tǒng)(Hybrid Multibody System，HMBS)方法建立整機的多體系統(tǒng)的力學模型，通過R-W建模方法，結(jié)合葉素動量理論(BEM)計算葉片的空氣動力載荷，有限的自由度，建立了整機的非線性氣彈耦合動力學方程。編制了通用的動力學仿真程序并采用違約穩(wěn)定法的數(shù)值求解方法，實現(xiàn)了大型風力機

3、葉片的非線性氣彈耦合時域響應(yīng)分析。該程序能根據(jù)用于描述系統(tǒng)拓撲構(gòu)型的輸入數(shù)據(jù)自動建立和數(shù)值求解受約束的系統(tǒng)動力學方程（微分-代數(shù)方程組）。在風力機多體系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上聯(lián)合BEM氣動模型得到氣彈耦合模型，在對動力學方程進行數(shù)值積分每一時間步中，氣動模型能實時地根據(jù)葉片各剛體的速度、角速度和姿態(tài)坐標（方向余弦陣）計算出作用在葉片各剛體上的氣動載荷，并將其加載到瞬時變形的葉片中，實現(xiàn)了風力機的非線性氣彈耦合時域響應(yīng)分析。
　　算例以美國

4、可再生能源實驗室(NREL)發(fā)布的5MW近海風力機為研究對象，對其在運行工況下的非線性氣彈響應(yīng)進行了數(shù)值模擬。分析表明，大型風力機的葉片在隨機風載荷作用下，其揮舞與擺振等均為大幅值的非線性振動，且隨著風力機單機的功率不斷增大、葉片的柔性不斷增加，葉片的振動對葉片的氣動力有強烈的反饋，二者間相互影響即氣彈耦合越加明顯。
　　基于時域響應(yīng)的大型風力機氣彈耦合分析，對于大型風力機葉片的設(shè)計和安全穩(wěn)定運行具有重要的意義，也是進行風力機氣彈