大型水平轴风力机新型叶片结构设计思想和研究进展

该文首先阐释了在风力机大型化发展过程中叶片结构设计的主要问题在于大型叶片对综合结构性能的高要求与轻量化、气动性能之间的矛盾,传统悬臂梁结构叶片的承载特性限制了叶片进一步大型化发展的空间,新型叶片结构的设计开发是解决这一问题的有效手段。新型叶片结构的设计思想按其着眼点主要包括仿生柔性设计思想、分段设计思想和局部附加结构的设计思想等。在此基础上,该文综述了近年来新型叶片结构的研究进展,为大型叶片结构设计提供了参考。     

基于matlab软件风力机叶片的数字化设计

本文以风力机叶片为研究对象,选用常用的NACA4412翼型,基于Glauert设计模型,利用matlab工具对一20KW风力机进行了叶片气动外形的设计,得到风力机叶片的外形参数。计算过程利用matlab能够简化繁琐计算便于修改参数,能够推广到其他产品的设计,为产品设计提供一定的依据。     

水平轴风力机柔性叶片多体动力学建模与动力特性分析

为用较少自由度实现水平轴风力机柔性叶片气弹耦合分析,用超级单元（Superelement）方法将柔性叶片离散为由带有力元弹簧及阻尼器的旋转铰连接的有限个数体,基于多体动力学理论,应用R-W（Roberson-Wittenburg)方法导出叶片多体系统动力学微分-代数方程组;研究方程组数值积分方法及通过脉冲响应谱实现系统动力特性分析方法;分析某1.5 MW风力机叶片在脉冲载荷作用下的动力响应与固有频率,并通过与ANSYS、ADAMS结果对比验证方法及编制程序的有效性与正确性。结果表明,超级单元法能用较少自由度准确描述柔性叶片弹性变形与动力载荷与叶片位移间耦合,为风力机气动弹性耦合及稳定性分析提供实用分析方法。     

大型水平轴风力机叶片二自由度气弹稳定性分析

本文根据Kallesøe大型水平轴风力机叶片模型下的动力学方程对无阻尼系统进行有限差分离散后,运用Greenberg气动理论施加分布气动力,得到不对称刚度和一般粘性阻尼的二自由度气弹方程。通过建立系统的线性定常状态空间方程,利用极点实部最大值对叶片的气弹稳定性进行了解析,得到了风速、转速、弹性模量、桨距角、空气密度和叶片密度的稳定性曲线,最后用系统的阶跃时间响应进行了验证。     

水平轴风力机叶片的弯扭耦合气弹稳定性研究

研究水平轴风力机叶片的经典颤振稳定性特性。在导出质量刚度均匀分布的旋转挥舞/摆振/扭转叶片的耦合振动偏微分方程组基础上,引入扩展的Theodorsen模型描述非定常气动力的作用。联合采用Galerkin法、特征值法和时间域积分法对所建立的叶片气弹模型进行求解。通过数值分析获得叶片的挥舞弯曲模态、摆振弯曲模态和扭转模态的根轨迹曲线,分析了叶片面内刚度、扭转刚度和预锥角对叶片气弹稳定性的影响。特征值法稳定性的计算结果的精确度和可靠性通过分析模态展开式中模态截断个数N对颤振边界收敛性的影响,得到验证。稳定性分析的时间域数值积分结果的一致性进一步说明特征值法稳定性计算结果正确性。     

智能复合材料风力机叶片设计与有限元分析

随着风力发电机叶片的大型化,将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新的结构,智能材料作为传感器和作动器。设计了小型风力发电机叶片及其智能夹层结构,用有限元分析软件Algor分析埋入的压电材料逆压电效应下的应力、位移,并与气动力作用下的叶片流体计算结果进行对比。分析实现叶片振动主动控制的可行性,以防止叶片这一弹性体发生颤振。     

叶片局部损伤对大型水平轴风力机静动态特性影响的仿真分析

基于参数化整机模型研究风力机的静态和动态特性,以及叶片局部损伤对单叶片和整机的静动态特性影响规律,揭示叶片局部损伤与这些特性的关系。使用ANSYS的APDL语言,实现MW级水平轴风力机复合材料叶片的参数化建模;采用公共几何元素、连接单元和自由度耦合等方法,组建包含叶片、轮毂、塔架等部件的整机有限元模型。计算分析了重力、离心力和风压力共同作用下正常整机和包含叶片局部损伤的整机在迎风位置时的静态响应。比较了正常和损伤状态下根部固定单叶片和装入整机中叶片的动态应变响应。研究表明：对根部固定的单叶片,风轮面内的动态应变响应随迎风面损伤程度的增大而减小;对整机中的叶片,垂直风轮面的动态应变响应随迎风面损伤程度的增大而增大。研究方法和结论对大型水平轴风力机叶片损伤的在线监测具有重要 意义。     

水平轴风力机叶片气动噪声源分布特性的试验研究

为寻找水平轴风力机额定来流风速不同转速工况时叶片气动噪声源分布特性的规律,利用30通道切片轮式阵列采用近场声全息法和远场波束形成法对水平轴风力机近尾迹区域进行噪声数据采集和声源成像分析。其试验结果表明：风力机气动噪声源在不同噪声频段下声压级随风力机转速的升高而增大,且气动噪声源位置未发生变化;在额定来流风速和额定转速下,随着气动噪声源频率由低频段向高频段过渡,其叶片气动噪声源位置由叶片中部沿叶片展向朝叶尖处规律移动,该结论可为风力机的降噪研究提供参考。     

一种快速构造非支配集的方法--擂台法则

多目标进化算法是用来解决多目标优化问题的,为了提高多目标算法的效率,提出了一种快速构造非支配集的方法——擂台法则。它的时间耗费要低于Deb和Jensen提出的构造非支配集的方法。在实验中将擂台法则同Deb和Jensen的方法进行了比较,最后实验结果证明前者在运行时间上要优于后两者。     

基于Pareto最优解的零件制作方向优化研究

分析了快速成型工艺中零件制作方向对制件表面质量、所需支撑面积和零件制造时间的影响,分别建立了它们的优化数学模型。采用了基于Pareto最优解的多目标优化遗传算法NSGA-II进行优化计算,通过与单目标优化方法求得最优结果的对比,表明用多目标优化方法进行零件制作方向的优化计算,不仅可以求出比单目标方法更优的解,而且通过一次优化计算就可得到多个较优的零件制作方向。     

大型水平轴风力发电机桨叶稳定性研究

大型水平轴风力发电机桨叶为流-刚-柔耦合的周期时变多体系统。本文暂未考虑风载荷,分析了重力载荷和桨叶预锥角、转速等因素的变化对稳定性的影响。力学建模中,考虑了桨叶挥舞、摆振、扭转和轴向运动以及根部铰的挥舞、摆振和变矩等刚体运动。利用有限元法形成5节点18自由度的刚-柔混合梁单元模型,应用Hamilton原理建立桨叶动力学方程,求得对应的摄动方程,采用Newmark隐式积分方法求解。根据Floquet理论判断运动稳定性,计算了相关转换矩阵的特征值。结果表明预锥角对桨叶运动稳定性影响不容忽视。在通常的工况下,桨叶能够稳定地运转。     

风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析

研究了大型风力机玻璃钢叶片载荷谱和疲劳寿命的工程估算方法.运用片条理论分析了影响风力机叶片疲劳寿命的气动载荷分布;应用多体动力学方法,分析了旋转叶片动力刚化效应产生的原因及其对叶片振动模态的影响;根据模态叠加法,计算了叶片在气动力、重力和旋转惯性力等确定性载荷作用下的动应力响应;探讨了玻璃钢叶片的疲劳性能、破坏准则及疲劳寿命估计方法;提出了一种基于Palmgren Miner线性累积损伤法则的玻璃钢叶片安全寿命估计方法.通过所设计的1.5MW变速变桨距风力机叶片疲劳寿命估计的算例表明,该方法是可靠和实用的.     

风力机叶片挥舞摆振气弹失稳分析

为避免风机叶片在强风作用下发生破坏,需对其采取停机保护措施。该文研究叶片处于非旋转状态时的挥舞摆振气弹失稳现象发生的条件。基于风力机叶片简化模型,采用迭代法求解叶片的自振频率及振型,建立了非旋转叶片挥舞摆振气弹效应响应的振型叠加法,该方法可以便捷地进行叶片多工况气动弹性响应分析。计算了在不同风速不同攻角条件下叶片的挥舞摆振气弹效应响应,得到了叶片挥舞摆振响应随风速和风攻角的变化规律以及不稳定风攻角的分布特征。结果表明：在某些风攻角下,风机叶片挥舞摆振失稳现象在风速较低的情况就有可能发生,其响应幅值与结构阻尼联系紧密。另外,挥舞摆振失稳会大大增加作用于叶片上的风荷载,并进一步造成叶片结构的损伤破坏。     

预应力装配式风机叶片连接段结构模拟分析

随着风力发电机功率提高,其叶片越来越长,叶片的运输难度和风险增大,成本增高,特别是在山区风场建设中愈发明显。将长叶片分段制造、运输并现场组装是解决此问题的有效途径。该文提出了一种全新的基于高强预应力螺栓连接的装配式风力发电机叶片结构方案。以某兆瓦级玻璃纤维叶片为对象,确定了在离叶根16 m处进行分段时的预应力连接结构方案,利用大型有限元分析软件ABAQUS建立了连接段的精细化有限元模型,对模型在预应力以及挥舞和摆振方向4种设计荷载作用下的应力进行了分析。结果表明:在4种工况下的叶片玻璃纤维材料以及预应力连接螺栓强度均满足要求,验证了该文所提出的基于高强预应力螺栓连接的装配式风机叶片结构方案可行,该研究为解决传统风力发电机叶片的运输难题提供具有应用前景的新方法。     

考虑叶片离心刚化效应的风力机塔架风振反应分析

为分析风轮作用力和叶片刚化对风力机塔架风振反应的影响,研究了考虑叶片刚化效应时风力机塔架的风振反应。采用谐波叠加法模拟了风力机塔架和叶片的脉动风速时程,在理论上推导了考虑离心刚化效应的叶片振动方程。该文分3种工况计算了叶片与塔架在风荷载作用下的动力反应,并对比了3种工况的塔架顶点位移及其相对误差。结果分析表明:叶片剪力对塔架的动力反应影响较大,叶片刚化效应减小了塔架的风振反应,在动力计算过程中应考虑刚化效应的影响。     

OPTIMUM SHAPE DESIGN AND POSITIONING OF FEATURES USING THE BOUNDARY INTEGRAL EQUATION METHOD

A design optimization procedure is developed using the boundary integral equation (BIE) method for linear elastostatic two-dimensional domains. Optimal shape design problems are treated where design variables are geometric parameters such as the positions and sizing dimensions of entire features on a component or structure. A fully analytical approach is adopted for the design sensitivity analysis where the BIE is implicitly differentiated. The ability to evaluate response sensitivity derivatives with respect to design variables such as feature positions is achieved through the definition of appropriate design velocity fields for these variables. How the advantages of the BIE method are amplified when extended to sensitivity analysis for this category of shape design problems is also highlighted. A mathematical programming approach with the penalty function method is used for solving the overall optimization problem. The procedure is applied to three example problems to demonstrate the optimum positioning of holes and optimization of radial dimensions of circular arcs on structures.     

基于复合形算子的基础支护桩优化设计智能算法研究

本文通过遗传算法和传统复合形搜索法相结合,基于对遗传算法算子计算结构的调整,并将遗传算法与神经网络相结合,提出并研究了一种新的优化设计方法,协同求解复杂工程中的优化问题.并针对悬臂式支护桩的优化设计的数学模型,采用该算法进行了优化设计分析;计算结果表明,该算法可克服遗传算法最终进化至最优解较慢和人工神经网络易陷入局部解的缺陷,具有较好的全局性和收敛速度.     

SHAPE OPTIMIZATION AND MINIMUM WEIGHT LIMIT DESIGN OF ARCHES

The paper is concerned with the optimization of arches, using classical beam finite elements, for the minimum elastic displacements and the minimum weight designs under ultimate loading conditions.

The concept of separate but dependent design spaces for node coordinates and member plastic capacities is introduced. The shape optimization problem, whereby a norm of the elastic displacement vector is minimized, is formulated in the space of node coordinate variables. Then the minimum weight limit design problem in the space of member plastic capacities is considered using the static theorem of limit analysis. An iterative procedure alternating these two approaches is presented in the paper. The nonlinear unconstrained optimization and linear programming techniques are used to solve the corresponding numerical problems. The proposed method is illustrated by numerical examples.