【摘 要】
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风机叶片作为风发电机组关键的组成部分,是风力机设计和优化的重要部件,其结构组成复杂、受载多变使得叶片的非线性变形较为显著。同时,随着风力机大型化的发展趋势,使得叶片柔性急剧增加,因此如何准确有效地对叶片进行仿真分析成为了叶片设计研究的热点。有限元法和多体系统动力学是目前研究该问题的主流方法,然而有限元法的自由度数较多,求解效率较低;多体法由于对柔性叶片作等效转换,丢失了部分结构信息。针对已有建模方
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(51776044); 广东省自然科学基金项目(2020A1515010844);
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风机叶片作为风发电机组关键的组成部分,是风力机设计和优化的重要部件,其结构组成复杂、受载多变使得叶片的非线性变形较为显著。同时,随着风力机大型化的发展趋势,使得叶片柔性急剧增加,因此如何准确有效地对叶片进行仿真分析成为了叶片设计研究的热点。有限元法和多体系统动力学是目前研究该问题的主流方法,然而有限元法的自由度数较多,求解效率较低;多体法由于对柔性叶片作等效转换,丢失了部分结构信息。针对已有建模方法存在的问题,本文结合大型旋转柔性叶片的结构特点,运用基于连续介质理论的绝对节点坐标法,建立柔性叶片的结构建模;并通过对叶片的时域和频域分析,获得柔性叶片的动静态特性,具体研究工作包括:(1)为得到柔性叶片精确的动力学模型,本文利用高斯积分和Hammer积分相结合的方式建立了复杂叶片的结构模型。然后基于几何非线性变形方法,推导了二维梁、三维梁的刚度矩阵、质量矩阵和广义力矩阵。建立了悬臂梁静力学模型,计算自由端受集中力矩时的梁非线性大变形;最后建立柔性单摆的动力学模型,以分析不同单元数对模型精度的影响,数值结果表明,绝对节点坐标法对大变形梁具有很好的描述能力。(2)由于绝对节点坐标同时描述了旋转梁的大变形运动和微小振动,为分析旋转叶片的动力刚化效应及其频率特性,引入浮动坐标系建立了旋转梁的动力学方程,并推到了质量矩阵、刚度矩阵的不变特性,使得旋转柔性梁以及叶片动力学模型的建立和求解更为便捷。本文以二维柔性梁为例对其进行了旋转动力学的仿真分析,观察了梁在旋转过程中的变形和振动情况。在上述的基础之上基于摄动理论,采用线性化手段建立了含轮毂半径的三维旋转柔性梁的自由振动方程,分析了不同转速下以及有无轮毂半径时梁的频域特性。(3)本文在叶片结构模型以及三维旋转柔性梁自由振动方程的基础上建立叶片的振动方程。然后利用所建模型计算了叶片的模态信息并与NERL和ANSYS的结果进行了对比,仿真结果验证了本文模型的可靠性;最后分析了动力刚化效应对叶片固有频率和振型的影响。
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