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。     

5 MW风力机叶片模态特性分析

为了研究叶片铺层和主梁形式对大型自适应叶片动态特性的影响,利用Ansys软件建立了5 MW风力机叶片的有限元模型.对不同梁帽铺层角度和主梁形式的叶片进行了模态分析,给出了各模型的前十阶固有频率和振型,分析了叶片梁帽铺层角度、主梁形式和转速对风力机叶片固有频率的影响.结果表明：叶片梁帽铺层角度和叶片主梁形式对固有频率具有重要影响;在叶片的弯扭耦合设计过程中,要考虑设计参数对叶片模态特性的影响,以避免叶片发生振动性能失效.     

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。     

基于FOCUS的大型风力机叶片结构分析与铺层改进

采用FOCUS软件建立3 MW风力机主副梁结构的叶片模型,分析了叶片的极限强度与疲劳强度,获得了危险截面位置,探讨了叶片主副梁帽的厚度与宽度等参数变化对挥舞刚度及摆振刚度的影响程度,以此为依据改进了主副梁帽的铺层方案,校核了改进后的叶片质量、极限强度和疲劳强度.结果表明,改进后的叶片质量符合要求,强度得到了较大提高.     

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。     

对比分析不同材料及铺层对叶片力学性能的影响

基于有限元法,利用ANSYS中复合材料模块模拟叶片铺层,并通过CFD软件模拟流场对叶片施加载荷,对叶片进行结构静力学分析和模态分析;对比不同材料及铺层方式对叶片结构的影响,分析造成这种影响的原因。结果表明:不同材料对叶片的力学性能影响巨大,而采用铺层方法能使叶片满足强度和刚度要求,同时减轻质量并且改善共振引起的振动,±45°双铺层能有效分散叶根梁帽处应力。     

RESEARCH OF COMPOSITE PLY STRENGTH PROPERTIES FOR THE ROOT OF WIND TURBINE BLADE

利用复合材料有限元法,结合Tsai-Wu强度准则,针对某一型号叶片的叶根铺层强度特性进行分析研究.研究表明,叶根处基于有限元法的Tsai-Wu强度指标值与基于欧拉伯努利梁理论铺层设计方法所得的结果偏差较大.叶片的叶根截面变形不满足平面假设,欧拉伯努利梁理论和有限元模型预测的弯曲正应力在叶根处相差30％以上,且面内其他应力分量切应力和横向正应力对铺层强度均有一定影响.基于对比,详细分析了欧拉伯努利梁理论铺层设计方法在叶根处不适用的原因,从而为叶根新铺层设计方法研究提供依据.     

铺层参数对风力机叶片静态结构性能的影响分析

复合材料风力机叶片的性能因铺层参数的变化而不同,为了优化铺层方案,探讨了铺层参数对风力机叶片静态结构性能的影响。以某1.5 MW风力机叶片距叶根1/3段为对象,建立其有限元模型,计算叶片在极限工况下各截面的载荷;分析该叶片铺层所采用的单、双、三轴向布的基本力学性能,得出可行替代方案。通过对不同铺层角度、铺层顺序和铺层比例的代表性铺层方案进行分析对比,初步得出叶片具有良好性能的铺放参数。在此基础上,优化原有设计方案,结果表明改进后叶片的失效因子和变形明显降低,验证了所得结论的正确性。     

大型风力机叶片气动与结构耦合优化设计研究

针对大型风力机风轮气弹效应对叶片结构的影响作用,对叶片结构优化设计的理论模型建模方法进行研究。采用叶素动量理论和梁理论,并结合遗传算法,将叶片各截面弦长、扭角和铺层厚度3个形状参数作为优化设计的变量,提出一种以叶片最小重量作为结构优化设计目标的理论模型。以1.2 MW风力机叶片为例,对优化前后叶片的3个形状参数与风力机功率特性间关系进行的计算分析表明,考虑叶片气弹变形的影响作用不仅能提高风轮的风能利用系数,且能减小叶片的截面质量线密度,进而降低叶片的制造成本。     

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。     

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。     

低速冲击载荷下的风电叶片刚度退化规律

该文主要研究低速冲击载荷下叶片的刚度退化规律.首先用相邻2个时段风速的线性增量来定义风速突变量并获得低速冲击载荷,然后通过实验获得低速冲击载荷下的损伤规律,最后基于实测风速对疲劳试验结果进行修正,并对服役1年内的叶片刚度退化量进行分析并与实测记录进行对比.结果表明:考虑低速冲击损伤时,疲劳试验结果更准确且在役叶片刚度退...     

基于惯性网络的兆瓦级风电叶片形变测量算法研究

针对目前风电叶片形变过程中挠曲度测量误差较大的问题,提出一种基于惯性网络的相对运动监测算法。首先根据应力分析对叶片建立主从式惯性网络,然后推导出主子节点间的相对运动解算方法并建立相对导航误差模型,设计相对导航误差估计滤波器,通过误差反馈保证子节点的位姿解算精度;其次构建联邦式的相对惯性导航误差估计滤波器进行主子节点的数据融合,提高风电叶片的形变估计精度及系统整体的容错性;最后对某型风电叶片进行静力加载试验,试验结果表明：该算法可准确测量出叶片上各节点在三维空间的位移曲线,3个子节点在挥舞方向的平均相对误差仅为0.92%、1.18%、1.07%。该算法可实时监测风电叶片的位姿状态,在叶片检测及风力机日常运行的安全监测上具有较好的理论研究意义与工程应用价值。     

Influence of wind turbine flexibility on loads and power production

Most aeroelastic codes used today assume small blade deflections and application of loads on the undeflected structure. However, with the design of lighter and more flexible wind turbines, this assumption is not obvious. By scaling the system mass and stiffness properties equally, it is possible to compare wind turbines of different degrees of slenderness and at the same time keep system frequencies the same in an undeformed state. The developed model uses the commercial finite element system MSC. Marc, focused on non‐linear design and analysis, to predict the structural response. The aerodynamic model AERFORCE, used to transform the wind to loads on the blades, is a blade element momentum model. A comparison is made between different slenderness ratios in three wind conditions below rated wind speed. The results show that large blade deflections have a major influence on power production and the resulting structural loads and must be considered in the design of very slender turbines. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

一种水平轴风轮叶片的气动设计方法

发展了两种先进的水平轴风轮叶片气动计算和设计方法－PROPGA和PROPID,PROPGA是基于最优化方法的遗传算法,用于最初的叶片选择和几何设计;PROPID是一种基于反问题的叶片气动设计方法,用于最后的叶片造型和性能预估。给出了两个实例,一个是以基础科学研究为目的实验探索用全新风轮,另一个则是用于商业生产的小型风轮。在实际风轮设计中的成功使用证明,PROPID和PROPGA是一种强有力的设计工具,两者的结合使用可以得到最佳的风力涡轮气动性能。     

基于解析位移形函数的改进风力机叶片梁单元

为提高空间梁单元在风力机叶片结构计算方面的精度,提出一种基于解析位移形函数的改进空间梁单元.首先考虑叶片截面偏心的影响,从空间Timoshenko梁的平衡方程出发,构建弯曲位移的解析解插值函数.根据弯曲位移与横向位移和剪切变形的关系,得到横向位移和剪切角的形函数.采用有限元理论,得到改进风力机叶片梁单元的刚度矩阵和质量...     

基于MATLAB的小型风力机叶片设计

结合Wilson设计方法流程,采用MATLAB语言编程,开发了小型风力机叶片气动设计的应用程序。利用该程序设计了一台10 kW小型水平轴风力机,采用CFD方法对所设计的的模型用FLUENT软件进行单流道分析计算。流场分析结果表明,编制的软件提高了初期设计效率,具有直接形成结构实体的特点,缩短了小型风力机叶片CFD分析前处理时间。     

大型风机叶片疲劳加载模式的能耗分析

设计了两套风机叶片疲劳加载试验方案:液压缸强迫加载模式和偏心质量块共振加载模式,并给出了两种模式下的能量耗散方程。采用多级载荷加载试验获得沿叶片展向的挠度分布情况和加载点刚度值,通过叶片的自由衰减试验获得阻尼比值。最后对aeroblade1.5-40.3风机叶片进行1个振动周期的能耗计算,得出在相同振幅下,共振加载模式的能耗小于强迫加载模式能耗的1/3。研究结果为后续的风机叶片疲劳加载试验打下基础。     

Aeroelastic instability problems for wind turbines

This paper deals with the aeroelastic instabilities that have occurred and may still occur for modern commercial wind turbines: stall‐induced vibrations for stall‐turbines, and classical flutter for pitch‐regulated turbines. A review of previous works is combined with derivations of analytical stability limits for typical blade sections that show the fundamental mechanisms of these instabilities. The risk of stall‐induced vibrations is mainly related to blade airfoil characteristics, effective direction of blade vibrations and structural damping; whereas the blade tip speed, torsional blade stiffness and chordwise position of the center of gravity along the blades are the main parameters for flutter. These instability characteristics are exemplified by aeroelastic stability analyses of different wind turbines. The review of each aeroelastic instability ends with a list of current research issues that represent unsolved aeroelastic instability problems for wind turbines. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。