风力机旋转叶片动力特性及响应分析

论文题目: 风力机旋转叶片动力特性及响应分析

论文类型: 硕士论文

论文专业: 工程力学

作者: 信伟平

导师: 李德源

关键词: 风力机,结构动力学,柔性多体动力学,有限单元法,数值方法

文献来源: 汕头大学

发表年度: 2005

论文摘要: 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。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

目录

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 世界与我国风力发电发展现状

1.3 风力机叶片结构动力学的发展与现状

1.4 柔性多体系统动力学的发展与现状

1.5 本论文所进行的主要工作

第二章 柔性多体动力学与有限元分析基础

2.1 柔性多体动力学的工程应用背景

2.2 柔性多体动力学的研究对象与内容

2.3 柔性多体动力学分析原理与方法

2.3.1 描述运动的两种方式

2.3.2 可能位移与虚位移

2.3.3 广义坐标与广义力

2.4 凯恩方法

2.4.1 广义速率

2.4.2 偏速度与偏角速度

2.4.3 凯恩方程

2.5 有限单元法理论基础

2.5.1 有限元法的基本思想

2.5.2 有限元分析步骤

第三章 旋转叶片有限元模型的建立

3.1 叶片动力特征方程的建立及求解

3.2 叶片有限元模型的建立

3.3 叶片动力刚化及其对叶片动力特性的影响

3.4 约束条件和模态方程求解

3.5 1.5MW变速恒频风力机叶片模态分析

3.5.1 叶片设计与材料参数

3.5.2 1.5MW风力机叶片模态分析

3.6 小结

第四章 旋转叶片的柔性多体动力学建模与模态分析

4.1 旋转叶片的有限元动力学方程

4.2 旋转叶片动力阻尼阵与动力刚度阵的显式形式

4.3 旋转叶片的几何刚度阵

4.4 旋转叶片的固有频率与振型

4.4.1 旋转梁的固有频率与振型

4.4.2 1.5MW变速恒频风力机叶片模态分析

4.5 结论

第五章 旋转叶片的动力学响应

5.1 非线性动力学方程的数值积分解法

5.1.1 直接积分法一: newmark-β法

5.1.2 直接积分法二: wilson-θ法

5.1.3 newmark增量迭代法

5.1.4 规则矩形截面旋转梁位移响应分析

5.1.5 解的稳定性分析

5.2 1.5MW变速恒频风力机叶片动力响应分析

5.2.1 叶片的运动与变形分析

5.2.2 叶片所受载荷

5.3 结论

第六章 总结与展望

6.1 本文结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文

发布时间: 2005-09-30

参考文献

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• [4].基于ANSYS风力机叶片的载荷研究[D]. 韦丽珍.内蒙古工业大学2009
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• [6].风力机叶片几何设计与空气动力学仿真[D]. 包飞.大连理工大学2009
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