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风力机旋转叶片动力特性及响应分析

信伟平  
【摘要】:本文针对现代大型水平轴风力机的结构和运行特点,应用现代柔性多体动力学理论和 有限元数值分析相结合的方法,对大型风力机叶片的动力特性以及在气动和机械载荷作用 下的结构动力学响应进行了研究。论文主要包括:基于柔性多体动力学理论的风力机旋转 叶片动力学模型的建立和数值求解方法研究;叶片的振动特性分析;叶片在气动和机械载 荷作用下的结构动力学响应分析。 首先,简要介绍了现代柔性多体动力学和有限单元法的基本理论,用有限元分析软件 ANSYS对风力机叶片建模,并求解了1.5MW变速恒频风力机叶片的固有频率与振型。探 讨了旋转叶片动力刚化效应产生的原因,并分析其对叶片固有频率的影响。 接着,对旋转叶片进行有限元离散,采用凯恩(kane)方法,建立了一般形式的大型 风力机叶片柔性多体动力学有限元方程:结合大型叶片几何构形特点,导出了基于 Timoshenko模型的旋转叶片的三维空间梁单元动力矩阵的显式表达式。分别用常规方法与 柔性多体动力学方法求解了1.5MW风力机叶片的固有频率与振型。并将结果与之前在 ANSYS中计算的结果进行比较验证。 最后,对所建立的叶片动力学模型进行动力学响应分析。针对该类动力方程为时变动 力学方程的特点,研究其数值求解方法。分别对三种数值方法(newmark-β法、wilson-θ 法、newmark增量迭代法)的稳定性和算法效率进行了分析,编制了相应的计算机程序; 对1.5MW风力机在启动、刹车和正常运转时的叶片弯曲挠度响应进行了分析并与常规有 限元数值分析结果进行了比较。结果表明,现代柔性多体动力学方法能更准确地反映旋转 叶片的动力学特性和动力学响应。


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