基于非线性气弹耦合模型的风力机随机响应分析

【摘要】单机大型化是现代风力机发展的必然方向,但柔性构件(如叶片)对于机组气动力的影响及与之相对应的气动载荷变化对机组气动弹性的反馈成为不能忽略的问题。因此,寻求包含非线性变形效应的整机动力特性与气动弹性耦合分析的方法成为了风力机气弹分析的重要基础,也是大型风力机基础研究领域的热点问题。本文基于刚柔混合多体建模方法,结合风力机气动分析的叶素动量理论,建立了大型风力机整机气弹耦合模型,通过数值求解方法,对大型风力机气弹耦合时域响应进行了模拟。首先构建了一种五自由度的超级单元,将柔性构件(叶片、塔架和主轴)离散为有限个超级单元,将轮毂、机舱等相对刚性的构件处理为刚体,采用混合多体系统(HybridMultibodySystem,HMBS)方法建立整机的多体系统的力学模型,通过R-W建模方法,结合叶素动量理论(BEM)计算叶片的空气动力载荷,有限的自由度,建立了整机的非线性气弹耦合动力学方程。编制了通用的动力学仿真程序并采用违约稳定法的数值求解方法,实现了大型风力机叶片的非线性气弹耦合时域响应分析。该程序能根据用于描述系统拓扑构型的输入数据自动建立和数值求解受约束的系统动力学方程(微分-代数方程组)。在风力机多体系统模型的基础上联合BEM气动模型得到气弹耦合模型,在对动力学方程进行数值积分每一时间步中,气动模型能实时地根据叶片各刚体的速度、角速度和姿态坐标(方向余弦阵)计算出作用在叶片各刚体上的气动载荷,并将其加载到瞬时变形的叶片中,实现了风力机的非线性气弹耦合时域响应分析。算例以美国可再生能源实验室(NREL)发布的5MW近海风力机为研究对象,对其在运行工况下的非线性气弹响应进行了数值模拟。分析表明,大型风力机的叶片在随机风载荷作用下,其挥舞与摆振等均为大幅值的非线性振动,且随着风力机单机的功率不断增大、叶片的柔性不断增加,叶片的振动对叶片的气动力有强烈的反馈,二者间相互影响即气弹耦合越加明显。基于时域响应的大型风力机气弹耦合分析,对于大型风力机叶片的设计和安全稳定运行具有重要的意义,也是进行风力机气弹稳定性分析的重要基础。本文的工作为进一步研究风力机非线性气弹失稳机理与气弹失稳影响因素,构建整机的气弹耦合分析模型提供有参考价值的思路和平台。
【作者】徐磊；
【导师】李德源；
【作者基本信息】广东工业大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】风力机；气弹响应；非线性；气弹耦合；振动；

【参考文献】
[1]苏山.论报纸的深度报道[D].华中师范大学,2002.
[2]王健.基于现代项目管理的西飞公司民机研制流程研究[D].西北工业大学,管理科学与工程,2004,硕士.
[3]苏美玉.论我国行政补偿范围的完善[D].广西师范大学,宪法学与行政法学,2013,硕士.
[4]李振旭.城镇化视角下的陕西省耕地保护研究[D].长安大学,农业资源利用（专业学位）,2013,硕士.
[5]蔡秀锦.我国区域大气污染联防联控法律制度研究[D].苏州大学,环境与资源保护法学,2014,硕士.
[6]阎栋.以用户为中心的远程交互式课件设计方法研究[D].西北大学,计算机软件与理论（专业学位）,2012,硕士.
[7]汪家瑜,马祖健.行安全评价之举走预测预防之路——试论石化企业在役装置和建设项目安全评价的思路与做法[J].石油化工安全技术.1996(06)
[8]姜达贤.由ST-LT双环转为YT-LT双环的系统性能分析[J].冶金自动化,1991,01:43-45+62.
[9]李佳.风险导向审计视域下的滨海工行审计体系构建研究[D].兰州大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[10]李玉娟.带关联矩阵的NUAHB样条及其性质研究[D].南京航空航天大学,应用数学,2013,硕士.
[11]刘振国,李镇清.植物群落中物种小尺度空间结构研究[J].植物生态学报,2005,06:154-162.
[12]张正军,邹志红,冯允成.实现公共随机数同步的方法[J].控制与决策,1997,02:171-174+179.
[13]王乾.创业板上市公司IPO抑价现象实证研究[D].复旦大学,金融学,2012,硕士.
[14]张晓芝.长春市商业网点规划研究[D].东北师范大学,城市规划与设计,2012,硕士.
[15]李蘅.深海采矿水力提升系统粗颗粒运动规律模拟研究[D].清华大学,水力学及河流动力学,2003,硕士.
[16]刘爱慧.微博热点关注者及个性化关注者推荐算法研究[D].燕山大学,软件工程,2014,硕士.
[17]王明娣.智障儿童社会适应性校本课程开发的问题与对策研究[D].西北师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[18]史博.订单农业履约有效性研究[D].首都经济贸易大学,产业经济学,2013,硕士.
[19]高燕红.帕立骨化醇对糖尿病肾病大鼠肾保护机制的研究[D].宁波大学,内科学,2014,硕士.
[20]薛见新.炼钢连铸过程温度流优化的设计与分析[D].东北大学,测试计量技术及仪器,2010,硕士.
[21]张婷.中国企业跨境交叉上市资本投资与公司治理研究[D].吉林大学,会计,2013,硕士.
[22]杨永耀,吕勇哉,梁军.变结构加热炉计算机控制策略[J].自动化学报,1991,04:495-497.
[23]吴玉峰.共转化方法获得无标记高赖氨酸转基因玉米[D].中国农业大学,遗传学,2004,硕士.
[24]宋会平.组织工程学人工骨移植修复骨缺损的实验研究——RhIGF-I/CHA/ARBM重组合人工骨移植修复节段性骨缺损[D].山西医科大学,骨科,2003,硕士.
[25]蔡伊琳（SuwannamatNun）.泰国电视剧在中国的市场推广研究[D].哈尔滨工业大学,企业管理,2013,硕士.
[26]高林安.基于旅游地生命周期理论的陕西省乡村旅游适应性管理研究[D].东北师范大学,人文地理学,2014,博士.
[27]叶正茂,李洪人,王经甫.基于CMAC的电液负载模拟器自学习控制[J].控制与决策,2003,03:343-347.
[28]王焱鑫.非消费品企业中的情报系统与数据挖掘[J].商场现代化,2004,15:116.
[29]云晨.经鼻给予不同浓度的NGF对SOD1-93A小鼠内源性神经干细胞增殖作用影响的研究[D].河北医科大学,病原生物学,2014,硕士.
[30]阿拉玛韩.中俄两国公证制度比较研究[D].内蒙古大学,诉讼法学,2014,硕士.
[31]刘治明.GL公司职业化管理发展对策研究[D].吉林大学,工业工程,2012,硕士.
[32]石美玲.大学生生活事件、心理弹性与生活满意度的关系研究[D].华中师范大学,应用心理,2014,硕士.
[33]曹玉红.微波辐射强化制备改性膨润土及其应用的研究[D].广西大学,化学工艺,2004,硕士.
[34]黄柏翔.基于撮商机制的DRAM现货协商交易模型及其系统研究[D].华中科技大学,2010.
[35]夏敦.不当督导对员工创新行为的影响研究[D].湖南大学,工商管理,2013,硕士.
[36]石悦.2024铝合金变形及热处理过程中组织演变及性能研究[D].哈尔滨工业大学,材料工程,2013,硕士.
[37]尹翔,蒋建国,夏娜.基于直觉模糊关系的多主体联盟机制[J].控制与决策,2008,07:799-802+807.
[38]王丰.35t/h电站锅炉的Fuzzy控制[J].冶金自动化,2002,01:61-63.
[39]吴蕾蕾.LD泵浦掺钕钒酸类混合晶体调Q及调Q锁模激光特性研究[D].山东大学,光学工程,2013,硕士.
[40]郝飞,高权,姜彬,陈根军.钢铁企业智能电力调度集成系统研究及应用[J].冶金自动化,2013,04:33-38.
[41]邹峰,李康,李为丰.对调频(FM)同步广播标准的理解[J].广播与电视技术.2001(09)
[42]杨洪朋.大唐胶南风电场项目施工组织管理研究[D].吉林大学,项目管理,2014,硕士.
[43]康文利.电控存储式油井分层测压仪低功耗设计及应用[D].东北石油大学,电力电子与电力传动,2013,硕士.
[44]赵峰.池塘大型底栖动物群落结构及其部分生态功能的研究[D].华中农业大学,水产养殖,2014,硕士.
[45]陈海宽.国际运输与我国交通运输业[J].世界贸易组织动态与研究.1998(03)
[46]张松涛,白世贞.一种改进的T-S模糊系统稳定性分析方法[J].控制与决策,2008,11:1272-1276.
[47]严珊.关于浅井了意道教思想受容的研究[D].西安外国语大学,日语语言文学,2013,硕士.
[48]操璐.WLAN性能监测与优化系统设计与实现[D].国防科学技术大学,软件工程,2012,硕士.
[49]崔焕鹏.中小企业融资担保能力的提升机制研究[D].湖北工业大学,产业经济学,2014,硕士.
[50]李钊伟.术中恢复B(?)hler角治疗SandersⅢ、Ⅳ型跟骨关节内骨折[D].青海大学,外科学,2013,硕士.