基于多体动力学的大型风力机柔性结构动力学仿真研究

论文摘要

本文主要对大型风力发电机组关键部件及整机进行结构动力特性分析。研究运用混合多体动力学方法建立风力发电机组整机动力学模型,该模型由叶片等柔性构件和机舱等相对刚性的构件组成。对于刚性构件运用多刚体系统动力学方法建模。对于柔性构件,应用超级单元（superelement）的建模方法,将其离散为由带有力元弹簧和阻尼器的万向节与旋转铰连接的有限个刚体。混合多体系统中各刚体通过约束和铰相联系,应用Lagrange方程建立系统运动微分方程。运用MSC.ADAMS的求解器求解该代数-微分方程。对风力发电机零部件及整机使用SolidWorks软件进行三维建模,把三维模型导入ADAMS软件中,运用ADAMS/Vibration振动分析模块来实现风力机关键部件及整机的动力特性与响应的分析。将风力发电机机系统离散为叶片、塔架及风轮轴等组成的柔性多体子系统和机舱、轮毂等组成的刚性多体子系统,考虑到风力机实际工作特性,将叶片和塔架及风轮轴离散为由带有力元弹簧和阻尼器的铰连接的有限个刚体,其中弹簧的特性参数运用超级单元方法进行分析,利用材料力学弯曲梁挠曲线方程导出了反映构件横向和扭转变形的弹簧刚度系数的计算公式,对于不管是否成规则线性变化的截面梁,提出了两种弹簧刚度系数的计算方法。针对一个1.5MW风力机组进行系统动力特性分析。首先对塔架和叶片进行了动力学分析,研究了超级单元的弹簧刚度系数计算方法对于结果精度的影响；研究了叶片旋转运动对其结构特性特别是动力特性的影响；最后分析了风力发电机系统的固有频率和相应的振型及额定转速下的频率。算例分析表明,混合多体建模方法可以用较少的自由度充分反映系统的振动形态和相互影响,也为风力机系统气弹耦合及其稳定性分析提供了适当的建模方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 人类开发利用风能的历史
• 1.2 风力发电的优越性
• 1.3 风力发电的现状和发展趋势
• 1.3.1 风力发电的发展现状
• 1.3.2 风力发电的发展趋势
• 1.4 风力发电机组动力学研究现状
• 1.5 本文的研究内容
• 第二章 柔性多体系统动力学基本理论及仿真工具
• 2.1 柔性多体系统动力学研究状况
• 2.2 柔性多体系统建模研究
• 2.3 柔性多体系统各相关领域研究现状
• 2.4 超级单元模型及弹簧系数的确定
• 2.4.1 超级单元
• 2.4.2 弹簧刚度系数的计算方法
• 2.5 多体系统动力学微分方程
• 2.5.1 运动方程
• 2.5.2 固有频率和振型
• 2.6 ADAMS软件与SOLIDWORKS软件联合仿真
• 2.6.1 ADAMS软件简介
• 2.6.2 ADAMS/Vibration振动分析模块的介绍
• 2.6.3 ADAMS和SOLIDWORKS联合仿真简介
• 2.7 小结
• 第三章 风力发电机系统关键零件动力学分析
• 3.1 塔架动力学分析
• 3.1.1 振动对风力发电机塔架的影响
• 3.1.2 塔架模型的建立
• 3.1.3 塔架的模态分析
• 3.1.4 塔架结果分析验证
• 3.2 叶片动力学分析
• 3.2.1 振动对风力机叶片的影响
• 3.2.2 叶片模型的建立
• 3.2.3 叶片的模态分析
• 3.2.4 叶片结果分析验证
• 3.3 小结
• 第四章 风力机组整机动力特性分析
• 4.1 风力机组动力特性分析坐标系
• 4.2 风力机系统模型的建立
• 4.3 风力机系统模态分析
• 4.4 结果分析
• 4.5 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢