水平轴风力机风轮和塔架耦合动力学分析

论文摘要

风力机是承受复杂随机载荷的动力系统,其动态气动弹性问题涉及随机动态气动力与结构动力响应之间的相互作用,是一个含大气边界层湍流风场、风轮动态空气动力学、叶片及机组结构动力学的多学科交叉问题。本文基于国家自然科学基金项目“考虑叶片柔性变形的风力机气动弹性问题研究”,针对现代大型水平轴风力机自身的结构,结合外部运行特点和国际设计标准,应用现代模态分析理论和有限元数值分析相结合的方法,以1.5MW水平轴风力机为对象,研究了大型风力机在空气动力载荷和机械载荷作用下的结构动力学响应分析方法。本论文采用以叶素动量理论为基础的动态气动分析方法来得到气动载荷,建立结构动力学响应模型分析随机气动载荷作用下的结构动态响应及气动弹性载荷。考虑塔架结构变形对叶片的动态反馈作用,并通过模态综合法,实现风轮和塔架的耦合。最后,利用Palmgren Miner线性累积损伤理论来计算风力机的安全疲劳寿命。论文主要包括以下几个方面的内容:（1）分析风力机基本的空气动力特性。根据修正后的叶素动量理论对作用在风轮叶片上气动载荷进行估算。（2）将叶片和塔架简化为变截面悬臂梁,采用二节点梁单元建立其有限元模型。利用多自由度拉格朗日方程建立运动方程,通过模态分析得到固有频率和振型。考虑风轮旋转频率,避免风力机固有频率和激振频率重叠引起共振。（3）运用模态叠加理论和Newmark法来求解运动方程,获得叶片和塔架在载荷作用时的动态响应,并编制相应的计算程序。（4）研究风轮和塔架的耦合方法,考虑塔架变形对风轮动态气动特性影响。计算低阶主导模态,通过模态综合法建立风轮模态和塔架模态的相互联系。考虑它们之间气动弹性的影响,叠加时序的变化,运用迭代算法求得主模态的响应结果。（5）利用雨流计数法统计风力机随机载荷谱和Palmgren-Miner线性累积损伤法则进行叶片疲劳寿命的估算。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 课题背景、来源及意义
• 1.1.1 世界风电发展现状
• 1.1.2 我国风电发展现状
• 1.1.3 课题的来源及意义
• 1.2 论文的主要内容
• 第二章 风力机空气动力学分析
• 2.1 叶素动量理论
• 2.1.1 动量理论
• 2.1.2 叶素理论
• 2.1.3 叶素动量理论
• 2.2 叶素动量理论的修正
• 2.2.1 有限叶片数
• 2.2.2 叶尖损失和轮毂损失修正
• 2.2.3 叶栅理论
• 2.2.4 高推力时的修正
• 2.3 本章小结
• 第三章 风力机结构动力学分析
• 3.1 风力机结构动力学方法概述
• 3.2 风力机结构运动方程
• 3.2.1 有限元模型的建立
• 3.2.2 运动方程的建立
• 3.2.3 模态分析
• 3.2.4 运动方程的求解
• 3.3 叶片及塔架的结构动力特性分析
• 3.3.1 叶片和塔架的有限元模型
• 3.3.2 叶片和塔架的模态分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 风力机载荷计算和动态响应分析
• 4.1 作用在风力机上的载荷
• 4.1.1 局部坐标系的建立
• 4.1.2 气动载荷
• 4.1.3 惯性力载荷和重力载荷
• 4.1.4 功能载荷
• 4.1.5 其他载荷
• 4.2 动态响应分析
• 4.2.1 叶片的动态响应分析
• 4.2.2 塔架的动态响应分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 风力机风轮和塔架的耦合分析
• 5.1 整体坐标系的建立
• 5.2 风轮与塔架耦合
• 5.2.1 耦合方法的分析
• 5.2.2 耦合算例的分析
• 5.3 模态综合法
• 5.3.1 固定界面模态综合
• 5.3.2 有限元建模分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 风力机疲劳特性分析
• 6.1 疲劳分析概述
• 6.1.1 疲劳分析要求
• 6.1.2 疲劳分析方法
• 6.2 疲劳载荷分析
• 6.2.1 疲劳载荷来源
• 6.2.2 雨流计数法
• 6.3 疲劳寿命分析
• 6.3.1 材料的疲劳性能曲线
• 6.3.2 安全寿命计算
• 6.4 叶片疲劳分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 个人简历