基于多体模型的水平轴风力机气弹耦合分析

【摘要】水平轴风力机的气动弹性耦合及其导致的稳定性分析一直是风力机基础研究领域的重要研究课题和关注的热点。随着风力机向更大和更柔的方向发展,所带来的构件柔性变形对气动载荷的反馈效应与两者的耦合对机组性能与稳定性的影响受到了国内外研究者的关注与重视。本研究基于现代计算多体动力学建模方法,用较少的自由度来反映风力机柔性构件的非线性弹性变形、结合风力机气动载荷模型和高效的数值求解方法,建立了风力机整机系统的动力学模型,实现了整机系统动力特性分析与柔性叶片的气弹耦合分析。研究内容与结果具有较重要的理论意义和应用价值。以美国可再生能源实验室(NREL)的5兆瓦水平轴风力机为对象,将整机系统分为柔性体子系统(如叶片、塔架和主轴)及刚体子系统(如机舱、轮毂),采用能反映弹性变形的超级单元将柔性构件离散为带有力元弹簧和阻尼器的旋转铰连接的有限个数的刚体,根据弹性梁的弯曲及扭转理论,计算连接刚体间弹簧的刚度系数。基于计算多体系统动力学理论,采用混合多体系统的建模方法,导出了整机动力学方程。通过有效的方程组数值积分方法和傅里叶谱分析方法,实现了系统动力学特性分析。结合气动模块,实现了叶片的气弹耦合仿真。采用MATLAB编写了通用的动力学仿真程序,自动建立多体系统的动力学方程并进行数值求解。算例分别通过本程序和ADAMS/Vibration分析了叶片、塔架与整机的固有频率。结果与NREL公布的数据进行了对比,验证了程序的有效性和建模方法的正确性。分析了叶片旋转对其结构特性特别是动力特性的影响,即所谓的动力刚化效应；计算了叶片在一定转速及风速下的气弹响应。分析结果表明混合多体模型能用较少的自由度准确地描述柔性体的弹性变形、动力载荷和柔性体位移三者之间的耦合；建模方法适合风力机整机的动力学建模；所开发的仿真程序能为风力机气弹耦合及稳定性分析和控制系统设计提供实用的分析平台。
【作者】莫文威；
【导师】李德源；
【作者基本信息】广东工业大学，机械设计及理论，2013，硕士
【关键词】风力机；柔性叶片；多体系统；超级单元；气弹耦合；

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