大型风力机叶片铺层及模态分析

使用ANSYS软件,自下而上建立风力机叶片的有限元模型,使用单元类型SHELL 99对叶片模型实行铺层。运用有限元方法,对几组铺层方案进行叶片的模态分析,结果显示大型风力机叶片梁帽的铺层对频率及相对位移影响最大,增加梁帽铺层数可更好地提升叶片的结构动力学性能。     

考虑翘曲效应的风力机叶片弯扭耦合特性计算方法

为了研究截面翘曲对大型风力机叶片弯扭耦合特性的影响,分别建立考虑翘曲效应和不考虑翘曲效应的梁模型,并对叶根截面、翼型截面特性进行了计算,表明考虑翘曲效应的梁模型在计算叶片截面刚度时得到的结果更准确。采用考虑翘曲效应的方法计算了5 MW风力机叶片的截面刚度,分析了叶片梁帽铺层角度对风力机叶片弯扭耦合特性的影响。结果表明,无论是否考虑翘曲效应,获得最大弯扭耦合特性的梁帽铺层角度都为20°;在同样的梁帽铺层角度下,翘曲效应对叶片不同部位(特别是在翼型过渡区域及气动翼型区域)的弯扭耦合系数影响很大。     

基于气动弹性剪裁的风力机叶片模态分析

本文为研究叶片铺层参数对叶片动态特性的影响,防止叶片产生共振,改善叶片力学特性,建立了1.5 MW风力机叶片的有限元模型,通过改变铺层角度和铺层纤维比例实现多种不同层合板结构的叶片铺层,并对上述各种铺层叶片结构进行了模态分析,获得了各模型的前六阶固有频率和振型,分析了铺层参数影响叶片动态特性的原因。结果表明:复合材料具有显著各向异性,通过改变铺层角度能影响固有频率大小;叶片低阶振型以挥舞和摆振为主,增加0°铺层比例能提高低阶固有频率;叶片高阶模态出现扭转,45°铺层能提高叶片抗扭能力,有利于增加高阶固有频率。     

兆瓦级水平轴风力机叶片铺层设计参数影响分析

为研究主梁材料及铺层角度对风力机叶片结构特性影响,基于三维建模软件NX二次开发建立风力机叶片几何模型,结合铺层设计并通过CFD方法获取叶片表面压力分布,采用有限元方法对叶片进行结构模态、强度及屈曲分析。结果表明:碳纤维主梁叶片质量较玻璃钢减轻约8.08%,主梁材料对模态振型影响较小,主梁铺层角度对挥舞方向运动影响更大;0°铺层主梁叶片共振破坏风险低且应力应变峰值均最小,碳纤维主梁叶片较玻璃钢应力及应变峰值降幅最大约20.57%、26.51%;主梁0°铺层时叶片屈曲因子最大,而60°铺层时最小,碳纤维主梁叶片较玻璃钢临界屈曲载荷增幅最大约17.84%,有效降低屈曲失稳风险;额定工况下,叶片局部屈曲域在近叶尖处尾缘区和近叶根处最大弦长截面前缘区。     

大型风力机叶片模态性能及振动分析

为研究大型风力机叶片铺层参数对叶片动态性能的影响、防止叶片发生共振、减小叶片挠度、改善叶片结构力学性能和提高风力机安全性,建立了5 MW风力机叶片的有限元模型,通过改变铺层材料和铺层角度实现不同的叶片结构,并对成型叶片进行了模态分析;采用CFD方法获得叶片表面载荷,分析不同风速下不同铺层结构叶片振动性能,结果表明:复合材料铺层角度能影响叶片固有频率,叶片低阶振型以挥舞和摆振为主,高阶模态出现扭转;增加0°铺层纤维比例可提高低阶固有频率,45°铺层能提高叶片抗扭能力;叶片振动位移沿叶片展向呈非线性增长,风速越大叶片挠度越大;碳纤维可有效提高叶片固有频率,减小叶片挠度。     

基于气动弹性剪裁风力机叶片结构稳定性分析

为提升风力机叶片结构稳定性,改善叶片局部屈曲现象,研究铺层参数对叶片结构稳定性的影响。建立1.5 MW风力机叶片的三维模型和铺层结构,并与实验值对比验证模型的质量和固有频率的准确度。借助CFD计算获得叶片表面的分布压力,以此为载荷对不同铺层角度叶片进行稳定性分析。计算结果表明:叶片在额定风速载荷下不会发生屈曲,满足设计要求;叶片后缘区结构设计较薄弱,局部屈曲主要出现在该区域;增加叶片尾缘铺层角度,保持主梁铺层角度不变,能提高叶片整体稳定性。     

基于气动弹性剪裁的大型风力机弯扭耦合叶片力学性能分析

为分析弯扭耦合叶片的力学性能,基于三维建模软件NX二次开发建立NREL 5 MW风力机叶片壳体模型,进一步对叶片进行复合材料铺层设计,通过镜像偏置主梁纤维实现叶片气动弹性剪裁,采用CFD方法计算叶片表面压力分布,结合有限元方法对其进行模态、静力学及屈曲计算,以研究主梁偏置角度对弯扭耦合叶片力学性能的影响.结果 表明:当主梁偏置角度较小时,弯扭耦合叶片表面最大应力小于传统叶片,其中以偏置角度为-15°时效果最佳,表面最大应力降幅最高为14.78％;相比传统叶片,弯扭耦合叶片各阶固有频率及屈曲因子均有所降低,且正向与反向偏置同角度的叶片固有频率和屈曲因子下降量较接近,主梁偏轴镜像铺设对叶片挥舞振动影响较大;主梁偏置角度对叶片抗屈曲能力产生一定影响,叶片临界屈曲载荷最大降幅约为78％;应重点关注弯扭耦合叶片固有频率及屈曲因子,以避免叶片固有频率与激励频率接近而产生共振,必要时可优化铺层结构以提高叶片抗屈曲能力.     

风力机复合材料叶片内部结构典型铺层及分析

叶片为风力发电装置中最核心、最关键的部件之一,其材料的选择对于叶片设计至关重要.大型风力机叶片普遍采用复合材料.将叶片视为一个变截面悬臂梁,基于经典层合板理论和梁帽式铺层方法,利用美国可再生能源国家实验室(NREL)发布的叶片结构分析软件PreComp和BModes计算叶片截面刚度、固有频率以及极限载荷作用下的变形.将计算值和ANSYS软件的分析结果进行比较,结果表明梁帽式铺层方法合理可行,且不影响叶片性能,在实际工程应用中有较大的使用价值.     

基于几何精确梁的风力机叶片动力学建模及动态特性分析

基于几何精确梁理论,结合广义-α时间预测法的迭代算法,考虑叶片复合铺层材料的各向异性特性,建立了大型风力机叶片的几何非线性动力学模型并导出了相应的特征方程,编制了数值仿真程序。通过对几何非线性梁标准算例和某10 MW柔性风力机叶片动力特性的模拟分析,验证了动力学模型的正确性,以及几何精确梁模型对分析叶片几何非线性大变形及其所导致的非线性动力学效应的有效性。叶片在静止和转动工况下的模态分析结果表明,在动力刚化效应作用下,叶片的固有频率会随着转速的增加而增大,动力刚化效应在挥舞方向比在摆振方向更明显,在低阶模态比在高阶模态更明显。     

基于ANSYS的10 MW风力机叶片弯扭耦合特性研究

为分析弯扭耦合效应对大型风力机叶片气动性能的影响。文中使用三维有限元软件ANSYS建立了10 MW复合材料风力机叶片模型,通过改变梁帽位置单轴向布的铺层角度在叶片中引入弯扭耦合效应,改变铺层角度和耦合区域,分析叶片在气动载荷作用下的变形情况。结果表明:叶片在弯扭耦合作用下产生弯曲变形的同时会发生扭转变形,沿叶片展向变形量增加;该叶片可达到的最大扭转变形量为6度;弯扭耦合系数随着铺层角度的增大而减小。     

大型风力机叶片模态测试与分析

利用建成的大型风力机叶片的振动特性分析装置,用测力法和不测力法对风力机叶片进行模态试验及分析,测试了风力机叶片的模态参数（固有频率、阻尼和振型）,得到了叶片的振动特性。采用共振法将偏心电机和变频器连成一体作为激励源测试了叶片的固有频率,实验验证了单叶片的危险运行频率。对大型风力机叶片模态试验及分析提供了可靠的实验装置和试验方法,对风力机叶片动力学特性分析提供有力工具。     

风力机旋转风轮振动模态分析

对水平轴风力机旋转风轮振动模态计算分析方法和影响固有频率计算结果的因素进行了研究。应用多体动力学的方法，探讨了旋转叶片动力刚化效应产生的原因；考察了叶片动力刚化效应以及玻璃钢／复合材料的各向异性性质对叶片振动模态的影响；通过自行开发的前处理软件建立叶片实体模型，运用ANSYS结构分析软件对所设计的600kW风力机旋转风轮的振动模态作了仿真分析，得到了风力机复合材料叶片动力刚化效应振动模态数值分析结果，并对结果进行了分析比较。     

E-玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料拉伸与模态特性分析

对小型风力机叶片铺层结构所用的E-玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料进行拉伸试验与试验模态分析,对比分析不同种类纤维的拉伸强度、破坏形态与弹性模量等抗拉性能与模态特性,得出以下结论:根据拉伸强度、破坏形态与弹性模量得出单轴向0°层合板的抗拉性能更好;随着层数增加,单轴向0°纤维布对挥舞固有频率的影响最大,双轴向±45°纤维布对扭转固有频率的影响最大;层数与铺设角度对一阶挥舞、扭转振型影响较小;小型风力机风轮的转速较高,可铺设更多的单轴向0°纤维布,以改变其模态特性;为初步探究单层、多层板模态参数间的关联性,分析得出铺层顺序的变化对层合板固有频率的影响最大值为1.45 Hz,并为E-玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料钢叶片的生产与研究提供基础理论依据。     

铺层材料单层厚度对风力机叶片低阶模态频率的影响分析

针对大型风力机叶片铺层材料单层厚度对叶片模态频率的影响作用,对铺层材料单层厚度间的耦合机制进行研究。采用Box-Behnken法设计实验,建立叶片铺层单层厚度与其第一阶模态频率间的响应面模型,揭示叶片不同铺层材料单层厚度对模态频率的影响规律。以叶片前两阶模态频率为优化目标、以铺层材料单层厚度为设计变量建立优化数学模型,并采用遗传算法与有限元法结合进行全局寻优。以某企业1.5 MW叶片为算例,结果表明,优化后叶片第一阶挥舞、摆振频率均提高了0.07 Hz。     

水平轴风力机塔架的频率和振型特性实验研究

为了研究风力机塔架的振动特性,文章利用动态信号采集分析系统,对水平轴风力机塔架进行了实验模态分析和运行模态分析测试,得到了塔架静止与振动两种工况下的固有频率与模态振型,分析了塔架的振动特性。通过对风力机振动信号的频谱分析发现,风速小于10 m/s时,只能激励起塔架挥舞方向与摆振方向的二阶模态;通过对风力机塔架的模态分析发现,风力机发生振动,塔架固有频率与模态振型发生小幅度改变;随着风速和振动烈度的增大,塔架模态参数的变化幅度随之增大。该研究可以为风力机塔架优化设计提供借鉴。     

基于SMA的大型风力机叶片振动被动控制研究

将SMA粘贴在大型风力机叶片的表面形成新的智能叶片结构,并探讨伪弹性SMA对叶片的振动抑制效果。采用SolidWorks与Excel软件相结合的方法建立风力机叶片三维壳体模型,基于ANSYS ACP模块对含SMA的复合材料叶片进行铺层设计,并验证该模型;考虑叶片的弯扭耦合效应及重力影响,基于有限元理论建立含SMA的运动学方程,采用模态叠加法求解其静态响应、谐响应及随机振动。分析结果表明：由于SMA的存在,不同静态载荷作用下,SMA的应力-应变之间均形成封闭的滞后环;将叶片的固有频率移向更高的频率,各阶模态对应的振幅明显降低。在振动能量带宽0.5~2.4 Hz的范围内,含有SMA层强化的风力机叶片振动能量响应值降低更为显著。     

考虑应力刚化影响的风力机叶片振动模态分析

利用ANSYS软件建立了500 W风力机叶片的有限元模型。基于振动分析的基本理论,分析了应力刚化对风力机叶片固有频率的影响,研究了旋转状态下叶片振型的变化规律。通过比较不同转速下的仿真结果发现,叶片旋转越快,应力刚化对固有频率的影响越大,特别是对低阶固有频率的影响最为明显,在叶片的动力学分析计算中应予以考虑。研究结果对风力机叶片的动力学设计及控制具有一定的参考价值。     

Structural design of spars for 100-m biplane wind turbine blades

Large wind turbine blades are being developed at lengths of 75–100 m, in order to improve energy capture and reduce the cost of wind energy. Bending loads in the inboard region of the blade make large blade development challenging. The “biplane blade” design was proposed to use a biplane inboard region to improve the design of the inboard region and improve overall performance of large blades. This paper focuses on the design of the internal “biplane spar” structure for 100-m biplane blades. Several spars were designed to approximate the Sandia SNL100-00 blade (“monoplane spar”) and the biplane blade (“biplane spar”). Analytical and computational models are developed to analyze these spars. The analytical model used the method of minimum total potential energy; the computational model used beam finite elements with cross-sectional analysis. Simple load cases were applied to each spar and their deflections, bending moments, axial forces, and stresses were compared. Similar performance trends are identified with both the analytical and computational models. An approximate buckling analysis shows that compressive loads in the inboard biplane region do not exceed buckling loads. A parametric analysis shows biplane spar configurations have 25–35% smaller tip deflections and 75% smaller maximum root bending moments than monoplane spars of the same length and mass per unit span. Root bending moments in the biplane spar are largely relieved by axial forces in the biplane region, which are not significant in the monoplane spar. The benefits for the inboard region could lead to weight reductions in wind turbine blades. Innovations that create lighter blades can make large blades a reality, suggesting that the biplane blade may be an attractive design for large (100-m) blades.     

基于模态叠加法的风电机组塔架实时状态研究

振动模态是机械结构在某一自振频率下的振动型态,是多自由度系统的固有属性。在模态分析的基础之上,提出一种基于模态叠加法的风电机组塔架振动状态与应力状态计算模型。该模型首先通过有限元法得到塔架的模态,然后通过模态叠加法根据塔架各监测点处的振动值计算得到整个塔架的振动状态及应力状态。以某风电场2.0 MW风电机组为例,通过有限元法数值模拟验证该模型计算结果的准确性。研究结果表明,该模型具有精度高和速度快的特点,能够满足实时在线计算要求。     

智能夹层风力机叶片振动主动控制研究

总结了国内外压电材料应用于弹性体的情况;对智能夹层风力机叶片进行建模,将压电材料丝埋入风力机叶片的基体中,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,实现叶片振动主动控制,以防止叶片这一弹性体发生颤振。为实现叶片智能振动控制打下基础。