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。     

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。     

10 MW风力机复合材料叶片结构设计研究

以DTU 10 MW风力机叶片为研究对象,基于NX参数化建模的二次开发,快速建立风力机叶片三维壳体模型,并对其进行复合材料铺层设计。进一步采用计算流体力学方法获取叶片表面气动载荷,对其进行静力学、谐响应及稳定性分析,预测其发生屈曲的可能性及位置。结果表明:叶片在极限风速下有足够安全性,其最大应力位于主腹板附近,最大应变位于主梁中部;叶片发生共振时,挥舞方向有较大幅度波动,摆振方向及叶片展向仅有小幅波动,初次共振对叶片影响最大;叶片在额定风速下未发生整体屈曲现象,仅在叶片背风面副梁帽处出现局部屈曲,增加该区域铺层材料厚度可改善此类现象。     

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...     

考虑弯扭变形的风力机叶片结构优化

根据叶片几何形状建立叶片载荷等效模型,利用该载荷等效模型将叶素动量理论计算所得载荷等效成分布载荷的形式,同时建立叶片参数化有限元模型,将等效得到的分布载荷施加到叶片参数化有限元模型表面,并分析叶片腹板方位和铺层铺设角度对叶片变形的影响。然后结合粒子群算法与参数化有限元模型建立数学优化模型,以扭转变形为约束条件之一以限制叶片扭转发散。对某850 kW纤维增强型复合材料风力机叶片进行优化设计,优化其铺层厚度、腹板方位和铺层铺设角度。优化结果表明,在保持叶片叶尖挥舞变形和叶尖扭转变形不变的前提下,叶片质量减轻6.304%。     

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。     

基于响应面法的仿生风力机叶片可靠性分析

根据风力机的基本理论和相似理论在有限元软件ANSYS中建立了一个翼型为SG6050,半径为1m的小型风力机叶片模型,运用结构仿生学原理,对所设计的风力机叶片进行铺层,其角度范围介于5°～90°之间,为体现中轴的对称性,正负铺层同时出现。利用基于响应面法的可靠性理论,比较了不同铺层方式下风力机叶片的可靠性。计算结果表明:可靠指标较高的角度集中在40°～70°之间,而以65°铺层可靠指标最大,即其失效概率最小,而在5°与90°附近的铺层其可靠指标相对较小。     

风力机预弯叶片结构与静气弹性参数化有限元分析方法研究

构建了风力机预弯叶片气动外形和铺层结构的参数化表达模型,采用MATLAB与ANSYS APDL相结合的方法对复合材料预弯叶片进行参数化有限元建模、加载和结构分析,并以某1.5 MW预弯叶片为例验证了该方法的正确性;基于修正的叶素动量理论和气动载荷参数化分布加载方法,对风力机预弯叶片的静气弹性进行分析和研究,结果表明预弯叶片的展向变形有助于叶片气动功率的提高,而叶片扭转变形造成风力机实际气动功率的降低,根据叶片的计算扭转变形,在叶片的设计中增大叶片的预扭转角度可避免叶片因弹性扭转变形造成的设计功率偏离。研制了风力机叶片结构性能和静气弹性分析工具(WTBSA),为预弯叶片的多学科优化设计奠定了基础。     

气动载荷对风力机叶片动态结构特性影响分析

建立复合材料风力机叶片铺层模型,针对叶片结构进行动态特性分析,主要通过模态分析研究了气动载荷对叶片固有频率的影响。借助ANSYS(有限元分析软件)复合材料模块,根据叶片几何和铺层参数实现叶片建模,并通过实验值验证了有限元模型的准确性。基于叶素-动量理论计算获得叶片极限气动载荷,以极限载荷的20%为载荷步,分析了叶片结构特性受载荷影响的变化趋势。结果表明:叶片所受载荷增加会导致叶片各阶固有频率下降,同时其摆振振型对应的固有频率受载荷影响较大;气动载荷会削弱叶片各微元段向平衡位置恢复的能力,导致叶片截面刚度下降,进而引起叶片固有频率降低。     

复合材料风力机叶片刚度剪裁结构特性研究

复合材料风力机叶片的性能因铺层参数变化而不同,为了改善铺层方案,探讨了铺层参数对叶片结构性能的影响。基于有限元分析法,采用玻璃钢复合材料建立不同层合板结构,实现叶片材料的刚度剪裁,对1.5 MW风力机叶片铺层,并通过CFD软件模拟流场对叶片施加载荷,对叶片进行结构特性分析。对比不同铺层方式对叶片结构的影响,结果表明:叶片叶根处受到载荷最大,0°铺层纤维抗弯性能最佳;叶片几何突变区域强度主要受面内剪切应力影响,45°纤维具有最佳的抗剪能力;0°纤维起承载作用,±45°纤维起传递载荷的作用,0°和±45°纤维含量分别为90%和10%时,叶片变形量表面应力值最小,叶片整体性能较佳。     

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。     

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。     

风力机预弯叶片多目标优化设计

在风力机预弯叶片的设计中,叶片弦长扭角分布、铺层结构与弯曲型线之间存在着复杂的耦合设计关系,具有良好性能的叶片不仅要求年发电量高、重量轻,而且要求对主机产生的载荷小。为了使设计叶片在其生命周期内能经受各种复杂的工况,文章提出在组合危险工况下进行叶片的极限设计载荷计算,基于提出的叶片预弯型线设计方法构建了预弯叶片的气动外形和铺层结构一体化优化设计模型,以叶片的年发电量最大、质量最小和对主机的载荷最小为目标,以叶片的气动外形及叶片铺层结构的关键参数为设计变量,在满足材料强度、叶尖最大变形、振动频率的约束条件下,采用多目标粒子群算法(MOPSO)对现有的某1.5 MW风力机叶片进行优化设计。结果表明,优化设计得到的叶片Pareto最优解集可满足主机不同的匹配需要,对最优解集叶片进行分析,挑选得到了综合性能比原1.5 MW风力机叶片均有较大提高的新叶片。     

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.     

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...     

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。     

基于中国实测地震有效持续时间的风力机地震动力学研究

基于我国实测地震,对10 MW单桩陆上风力机在地震及湍流风载荷作用下的结构响应和局部损伤特性进行研究。采用阿里亚斯强度计算有效地震持续时间,从而对风力机进行时域分析。采用壳单元精细有限元模型,构建考虑湍流风、地震及土-构耦合效应的多物理场模型,开展10 MW单桩式陆上风力机的结构动力学研究。结果表明：湍流风载荷和地震载荷分别为影响风力机塔顶前后向位移和塔顶侧向位移的决定因素;地震载荷不同会导致地震诱导结构屈曲模态发生变化。     

基于ABAQUS地震激励下风力机结构损伤分析

高耸的风力机塔架结构属于典型的顶部附有大集中质量的细长柔性体的力学结构,相比传统建筑结构差异性较大,极易受到地震载荷影响。基于有限元分析软件ABAQUS建立风力机塔架、基础平台和土体模型,通过FAST导出风轮非定常推力,作用在塔顶机舱,土体底部施加地震加速度时间序列,进行风力机结构模态分析、稳定性分析和动力学响应分析。研究表明：塔架主要的运动形式为摇摆运动和弯曲振动;塔架一阶固有频率为0.290 Hz,大于风轮的额定旋转频率0.202 Hz,因此叶片旋转不会引起风力机塔架发生共振;风载荷作用下,塔架发生横向屈曲,屈曲位置位于塔架底部且随模态阶数增大而逐渐向上发展,屈曲因子较大;地震载荷作用下,塔架发生纵向屈曲,屈曲位置同样位于塔架底部且随模态阶数增大而逐渐向上发展,较风载荷发生屈曲区域相对更大,屈曲因子相对较小。     

不同海况下近海超大型风力机动力学响应及结构损伤分析

以超大型DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象,通过p-y曲线和非线性弹簧建立桩-土耦合模型,选取Kaimal风谱模型建立湍流风场,基于P-M谱定义不同频率波浪分布,并利用辐射/绕射理论计算波浪载荷,采用有限元方法对不同海况下单桩式风力机进行动力学响应、疲劳及屈曲分析。结果表明：不同海况波浪载荷作用下塔顶位移响应及等效应力峰值远小于风及风浪联合作用,其中风浪联合作用下风力机塔顶位移响应及等效应力略小于风载荷;波浪载荷对风载荷引起的单桩式风力机动力学响应具有一定抑制作用,此外相较于波浪载荷,风载荷为控制载荷;风载荷与风浪联合作用下风力机等效应力峰值位于塔顶与机舱连接处,波浪载荷风力机等效应力峰值位于支撑结构与桩基连接处;仅以风载荷预估风力机塔架疲劳寿命将导致预估不足;随着波浪载荷的增大,风力机失稳风险加大,波浪载荷不可忽略;不同海况下,风浪联合作用局部屈曲区域位于塔架中下端,在风力机抗风浪设计时,应重点关注此处;变桨效应可大幅降低风力机动力学响应、疲劳损伤及发生屈曲的风险。     

风力机变桨故障叶片载荷特征及仿生分形与原始结构对比研究

为探究切出风速下风力机变桨故障叶片的载荷及动力学特征,利用FAST软件进行数值计算,发现载荷及叶尖位移分别为变桨成功叶片的13.6和14.2倍,可知变桨故障叶片极可能发生结构失效断裂事故。为改善结构力学性能,提出结合仿生方法及分形理论的新构型叶片,并通过有限元分析与原始叶片进行对比,其中载荷边界条件来自以数据库方式存储FAST计算结果的叶片17段载荷数据。结果表明：仿生分形叶片重量及叶尖位移分别比原始叶片减少23.4%和19.7%;同时,结构屈曲分析显示,仿生分形叶片一阶屈曲因子为1.858,比原始叶片提高33.6%,极大增加了叶片结构安全性。