风力发电机组关键功能部件运动学与动力学仿真研究

论文摘要

我国的风能资源非常丰富,随着传统能源的日益枯竭,风电产业得到了迅速的发展,因此迫切需要提高我国风电装备的设计和制造水平。但是,我国风电领域的理论和应用研究和发达国家相比仍有很大差距,以致我国大型风力发电机组的关键功能部件的设计和生产都要采用国外的技术。因此,深入研究风力发电机组关键功能部件的运动学与动力学特性对于我国实现风电机组国产化具有理论意义和工程应用价值。本文将虚拟样机技术应用于风力机组关键功能部件的运动学与动力学仿真中,对风力机组的空气动力学理论、关键部件的三维建模、运动学与动力学仿真研究、叶片和塔架的有限元分析进行了研究。主要内容包括：(1)对风轮叶片的空气动力学理论进行了研究,详细阐述了叶片三个基本气动理论—贝茨理论、涡流理论、动量叶素理论。本文应用动量叶素理论来计算叶片的气动载荷,给出了叶素上的气动载荷的详细计算方法和步骤,并利用Matlab编程计算得到在风速分别为5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s时叶片上的气动载荷。(2)本文在三维软件Solidworks中,通过选取叶片技术参数,采用NACA系列翼型对叶片进行了精确建模。对其它零件的结构在不影响结构分析的前提下进行了简化,完成轮毂、机舱、塔架等关键功能部件的建模,并在Solidworks装配环境下进行装配,得到整机的三维模型。(3)在Adams中建立风力机组关键功能部件的刚柔耦合多体系统动力学模型,以该模型为研究对象,在风轮恒定转速下,对风速由5m/s变化到25m/s过程中叶片和塔架的振动变形特性进行仿真,得到叶片和塔架的振动变形特性曲线。另外对机舱的偏航运动进行仿真,通过和未偏航的仿真曲线进行对比,得到偏航过程中陀螺力矩对叶片和塔架振动特性的影响。(4)在Ansys中对叶片和塔架进行极限风况下的静力学分析和自由振动状态下的模态分析,得到叶片和塔架在极限风况下的位移、应力和应变云图,以及叶片和塔架在自由振动状态下的前八阶固有频率和各阶振型图。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 风力发电机组的国内外发展和研究现状
• 1.2.1 风电行业国内外发展现状
• 1.2.2 风电技术国内外研究现状
• 1.3 本文课题来源
• 1.4 课题研究的主要内容和意义
• 1.4.1 课题研究的主要内容
• 1.4.2 课题研究的意义
• 1.5 本章小结
• 第2章 叶片空气动力学
• 2.1 风能的计算
• 2.2 气动设计和计算的基本理论
• 2.2.1 贝茨理论
• 2.2.2 涡旋理论
• 2.2.3 动量叶素理论
• 2.3 动量叶素理论在叶片气动载荷计算中的应用
• 2.4 本章小结
• 第3章 风力机关键部件的结构设计与建模
• 3.1 风力发电机组的分类和构成
• 3.1.1 风力发电机组的分类
• 3.1.2 风力发电机组的构成
• 3.2 建模软件和风力机模型的主要技术参数
• 3.2.1 建模软件SolidWorks
• 3.2.2 风力机模型的实体模型和主要技术参数
• 3.3 关键功能部件的建模
• 3.3.1 叶片的三维建模
• 3.3.2 其余关键部件的建模
• 3.3.3 整机模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 风力发电机组的虚拟样机仿真
• 4.1 虚拟样机技术的理论基础
• 4.1.1 Adams软件简介
• 4.1.2 Adams运动学分析
• 4.1.3 Adams动力学分析
• 4.1.4 本课题的仿真流程和步骤
• 4.2 风力发电机组虚拟样机的实现
• 4.2.1 风力发电机组多刚体系统模型的建立
• 4.2.2 风力发电机组刚柔耦合模型的建立
• 4.2.3 风力发电机的气动载荷和负载
• 4.3 Adams仿真结果与分析
• 4.3.1 风力机关键功能部件仿真分析模型
• 4.3.2 未偏航时仿真结果与分析
• 4.3.3 偏航时仿真结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 叶片和塔架的有限元分析
• 5.1 有限元法和有限元分析软件Ansys
• 5.1.1 有限元法
• 5.1.2 有限元分析软件Ansys
• 5.2 叶片和塔架的静力学分析
• 5.2.1 叶片的静力学分析
• 5.2.2 塔架静力学分析
• 5.3 叶片和塔架的模态分析
• 5.3.1 模态分析理论基础
• 5.3.2 叶片模态分析
• 5.3.3 塔架模态分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢