风力机叶片挥舞/摆振的动力失速非线性气弹稳定性研究

研究动力失速风力机叶片的非线性气弹系统的稳定性。叶片结构采用具有挥舞/摆振耦合的典型截面模型,动力失速非线性气动载荷的计算采用基于半经验的ONERA非定常、非线性气动模型。为了减少由于线性化气弹稳定性分析模型带来的误差,直接采用时间域数值积分法,对叶片挥舞/摆振耦合非线性气弹方程组进行数值积分,研究叶片动力失速诱发颤振的稳定性,分析了缩减速度、预尖锥角的影响,并且针对目前文献很少报道的结构阻尼参数的影响问题进行了研究。     

基于B-L气动模型的旋转水平风机叶片经典颤振稳定性分析

研究旋转水平轴风力机叶片周期时变气弹系统的经典颤振稳定性特性。叶片结构采用具有挥舞和扭转耦合的典型界面振动模型,引入Beddoes-Leishman气动模型为旋转叶片提供低攻角处周期时变的非定常气动力;为了研究颤振边界,利用标量风速和挥舞/扭转固有频率比对所建立的旋转叶片气弹模型进行变型。在此基础上,通过时域响应曲线分析旋转叶片挥舞自由度和扭转自由度气弹稳定性特性,分析了标量速度,叶片刚度,挥舞/扭转固有频率比和结构阻尼的影响,揭示了旋转叶片经典颤振边界的变化规律且其准确性得到验证。     

具有结构阻尼的复合材料薄壁梁的动力失速非线性颤振特性

研究具有结构阻尼的复合材料薄壁梁动力失速非线性颤振特性。采用受ONERA非线性气动力作用的复合材料薄壁梁的气弹模型分析非线性气弹稳定性;采用复合材料薄壁梁的模态阻尼分析模型进行结构阻尼预测,复合材料结构阻尼对复合材料薄壁梁气弹系统稳定性影响通过引入比例阻尼矩阵的方式予以考虑。采用Galerkin法对具有结构阻尼的气弹方程进行离散化,同时利用片条理论对非线性广义气动力进行计算。借助特征值方法及时域积分法分析复合材料薄壁梁非线性颤振边界及气弹响应的稳定性。通过数值分析,揭示复合材料结构阻尼、纤维铺层角对复合材料薄壁梁非线性颤振边界影响。结果表明,结构阻尼用于抑制复合材料薄壁梁的动力失速非线性颤振,增强气弹稳定性,具有十分明显作用效果。     

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。     

结构参数对无轴承旋翼悬停气弹稳定性的影响

为了准确分析结构参数在悬停状态下对无轴承旋翼气动弹性稳定性的影响,建立一种基于有限状态入流的直升机气弹稳定性分析的新模型。采用Green-Lagrange应变张量推导无轴承旋翼桨叶的非线性应变-位移关系,把桨叶作为多路传力系统进行处理并根据Hamilton原理建立桨叶运动的有限元方程,非定常气动力采用有限状态状态入流模型,旋翼的气弹稳定性根据桨叶摄动方程的特征值进行判断,研究结构参数对无轴承旋翼在悬停状态下气弹稳定性的影响。结果表明：（1）无轴承旋翼气弹稳定性分析采用模型比以往的动力入流模型或均匀入流模型与实验结果吻合更好;（2）桨毂预锥角、桨叶的摆振刚度及挥舞刚度对无轴承旋翼气弹稳定性的影响很大。     

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。     

考虑风速分布的叶片MPC气弹控制

作为叶片失效的重要原因,颤振一直是风电领域研究重点。以抑制叶片工作过程中的颤振为目的,建立分析模型时应充分考虑实际风速分布特别是风切变和塔影效应对叶片振动的影响,并在离散化后求取平均输入风速。针对小型风力机叶片气动弹性稳定性问题进行综合分析,根据实体结构建立叶片气弹模型,考虑非线性气动力作用时叶片大攻角、大风速工况下产生的高频、高幅失速颤振,模拟典型截面仿真振动位移。通过模型预测控制的滚动优化和误差矫正控制叶片挥舞、摆振两个运动方向的振动频率和幅值,结果表明振动形式实现控制后可在短时间内达到稳定且静差可接受。     

基于非线性气弹耦合模型的风力机柔性叶片随机响应分析

为准确模拟柔性叶片在紊流风速下的气弹响应,研究叶片振动对气动载荷与气弹响应的反馈,构建包含多体系统动力学模型与气动模型的柔性叶片非线性气动弹性力学模型。在将细长柔性叶片离散为多刚体系统基础上,运用计算多体系统动力学理论和Roberson-Wittenburg的建模方法,结合叶素动量理论,采用Kaimal模型模拟脉动风速,建立风力机柔性叶片的气弹耦合方程。算例以美国可再生能源实验室(NREL)研制的5 MW近海风力机为研究对象,分析叶片的振动和叶根的挥舞与摆振力矩,研究柔性叶片振动对气动载荷影响。结果表明,叶片达到一定长度后,模拟风力机气弹响应问题时,其振动影响不可忽略。     

基于压电作动与鲁棒控制的弯-剪耦合叶片挥舞失速颤振抑制

针对风力机叶片的挥舞断裂失效,阐述压电作动与鲁棒控制下的挥舞/横向剪切(弯-剪)耦合叶片失速颤振及主动控制过程;结构模型是在复合材料基体中嵌入压电材料的薄壁单闭室叶型截面,气动力是适合于纯变桨运动的失速气动力模型。基于Galerkin方法进行解耦处理,气动力沿叶片展长计算采用片条理论;基于压电反馈作动理论和三权值混合灵敏度H_∞鲁棒控制,研究基于时域响应的稳定性分析和失速颤振抑制方法;压电反馈基于结构裁剪技术,反馈为叶尖挥舞弯曲运动。三权值鲁棒控制通过第三权值在噪声衰减中,制约输出信号大小,迫使其稳定;通过大范围变化的变桨角和铺层角条件下的特征值分析及相平面分析,验证了三权值混合灵敏度H_∞鲁棒控制不失一般性。     

风力机叶片挥舞—摆振气弹稳定性分析

根据Euler-Bernoulli梁理论和粘弹性材料的Kelvin-Voigt理论建立风力机叶片挥舞—摆振耦合非线性动力学方程。将位移视为静态位移和动态位移的叠加,进而将非线性动力学方程线性化为动态位移的线性方程,得到叶片耦合振动特征方程。使用基于加权残值的Galerkin方法求解特征方程,分析叶片气弹稳定性,讨论风速、安装角、耦合效应和材料阻尼对叶片颤振稳定性和非线性自激振动行为的影响。结果表明:摆振方向易出现不稳定振动,通过设置安装角,利用挥舞—摆振耦合可以控制不稳定振动,但当安装角太大时,挥舞—摆振耦合会引起不稳定振动。     

倾转旋翼/机翼耦合系统过渡状态气弹动力学试验研究

研制了半展长的倾转旋翼／机翼耦合系统动力学模型,进行了模型的机翼基阶挥舞弯曲／扭转耦合振动随倾转角变化的气弹动力学特性分析及风洞试验,研究倾转角及前吹风速度对倾转旋翼／机翼耦合系统的机翼基阶挥舞弯曲／扭转耦合振动气弹动力学特性的影响。理论分析与试验结果表明：随试验模型从直升机模式倾转过渡到飞机模式,倾转旋翼／机翼耦合系统的机翼基阶挥舞弯曲／扭转耦合振动频率将会提高;在小前进比的前吹风倾转过程中,倾转旋翼／机翼耦合系统的机翼基阶挥舞弯曲／扭转耦合振动的阻尼随倾转角位置的不同而显著变化,随试验模型从直升机模式过渡到飞机模式,倾转旋翼／机翼耦合系统的机翼基阶挥舞弯曲／扭转耦合振动的阻尼明显降低。     

前飞状态下直升机旋翼系统气弹响应及稳定性分析

将铰接式直升机桨叶挥舞、摆振及变矩铰的刚性转角作为广义坐标,采用中等变形梁理论,结合有限元法,在旋转坐标系下,根据Ham ilton 原理推导出桨叶前飞状态下的非线性周期时变动力学方程。使用拟线性化方法及New m ark 数值积分技术求解桨叶的气弹响应。对稳态解进行摄动,应用Floquet理论分析桨叶的气弹稳定性。     

汽轮机带鳍状结构叶片组动力特性的有限元分析

本文在对汽轮机叶片组进行动力分析时，针对结构旋转周期性的特点，采用复约束法有效地减缩了系统自由度；在考虑离心力对旋转结构动力特性的影响时，引入了非线性的几何关系，并用有限元的方法计算了结构的动频；对于带鳍状结构的叶片，本文给出了对叶片间特殊约束的处理方法，并计算了额定转速下叶片间约束对叶片扭转角及叶片组动频的影响     

弹性耦合对直升机复合材料桨叶稳定性的影响

研究了弹性耦合对复合材料桨叶动特性和气弹稳定性的影响, 所采用的结构模型考虑了剪切变形、剖面面外翘曲变形和复合材料弹性耦合。推导出同时考虑剪切和翘曲影响的小应变、中等变形梁的应变2位移关系,并构造出21 个自由度梁单元, 应用Hamilton 原理推导出桨叶运动的有限元方程。在此基础上, 对三种不同构型的复合材料桨叶进行固有频率计算和气弹稳定性分析。计算结果表明: 尽管复合材料弹性耦合对桨叶固有频率的影响非常小, 但却改变了固有振型分布, 使桨叶挥舞-摆振-扭转运动之间存在耦合; 弹性耦合对桨叶气弹稳定性有很大的影响; 正的挥舞2扭转耦合使得摆振一阶稳定性增加, 负的挥舞2扭转耦合却使摆振一阶稳定性下降。      

风力机翼型在复合运动下的动态失速数值分析

现代大型风力机在工作时叶片经历大变形与振动,将会对其周围的动态流场产生影响,从而导致气动力的改变。因此有必要深入研究风力机翼型在复合运动情况下的动态失速气动特性,以正确预测大型风力机运行时的载荷。该文应用计算流体力学方法,对S809翼型在不同运动形式下的动态失速特性进行了二维数值分析。首先对翼型在作俯仰运动下的轻失速和深失速情况分别结合S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型进行了动态失速数值模拟,结果表明S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型都能有效地计算出翼型的气动力。然后采用SST k-ω模型仿真了翼型在挥舞运动、俯仰摆振耦合运动下的动态失速气动特性,并与相同工况条件下翼型作俯仰运动时的气动特性进行了对比分析。发现翼型在挥舞运动下的动态失速虽然弱于俯仰运动,但其强度不容忽视;而翼型在作俯仰与摆振耦合运动时比单纯作俯仰运动时的失速程度更深。因此在风力机设计阶段为获得保守的气动载荷预测,有必要将叶片截面在挥舞与摆振方向的运动转换成等效攻角,叠加在主攻角上进行动态失速气动力计算。     

跨音轴流风扇叶片气弹稳定性研究

基于弱耦合的能量法原理,对近失速工况下NASA 67跨音风扇叶片进行了气弹稳定性分析。本文发展的三维线性插值方法为CSD/CFD数据交换提供了基础。采用FLUENT动网格技术,实现了振动叶片绕流计算。数值模拟了NASA 67叶片前三阶模态振型激励下的非定常气动响应。通过分析叶片表面非定常气动力和振动位移之间的相位差发现：该相位差的存在决定了非定常气动力做功的正、负。由叶片表面非定常压力分析结果得出近失速工况下,叶片的气动弹性稳定性受叶片模态振型和激波的影响较为显著。     

薄膜结构气弹动力稳定性研究

将扁壳的无矩理论和流体的理想势流理论结合起来对薄膜结构的气弹动力稳定性进行了研究,提出了结构失稳的判别准则,确定了结构失稳临界风速。首先应用扁壳的无矩理论建立了薄膜结构的动力平衡方程。然后假设来流为均匀的理想势流,考虑流固耦合作用,对风向沿结构拱向和垂向时分别采用不同的气弹模型确定了作用于薄膜表面的气动力,得到了两种情况下薄膜结构的气弹动力耦合作用方程。利用Bubnov-Galerkin方法将此耦合作用方程转化为一常系数二阶微分方程,并根据Routh-Hurwitz稳定性准则确定了薄膜的失稳临界风速。最后通过对临界风速的影响因素进行分析,得到了一些重要结论,并提出了防止薄膜结构气弹失稳的一些基本措施。     

基于CFD降阶的非线性气动弹性稳定性分析

为了快速寻找基于CFD/CSD的非线性气弹系统的颤振边界,根据Lyapunov稳定性理论对非线性流固耦合系统进行稳定性分析。首先通过微扰理论对非线性流固耦合系统处理建立近似线性化状态空间方程,再通过POD(Proper Orthogonal Decomposition)方法将高维状态空间方程降阶为便于分析的降阶系统,根据系统所有特征值即可判定原始非线性系统稳定性。Lyapunov稳定性理论主要针对非线性系统,在实现过程中采用了POD降阶的方法,与大多数对降阶系统稳定性判定不同,其数学理论上是反映原始非线性流固耦合系统稳定性。POD降阶方法从系统内部流场出发,可以较好反映系统内部特性。二维三维算例仿真结果验证了该方法预测颤振边界的正确性,分析发现,在亚音速阶段,稳定性主要由于结构模态主导;而在跨音速和超音速流动阶段,气弹稳定性主要由受流体特性影响。     

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。     

非线性气动弹性系统的鲁棒稳定性分析

基于结构奇异值理论和特征多项式的值域方法,研究了带有结构和气动参数不确定性的非线性二元机翼的鲁棒稳定性问题.机翼模型包括非线性的扭转弹簧和能够反映失速效应的非线性气动模型.针对零摄动,使用肛方法分析线性化系统在平衡点的鲁棒稳定性.针对非零摄动,将平衡点位置看作关于不确定参数的函数并展开为泰勒级数,从而在μ方法的框架下考虑平衡点的不确定性.此外,计算不确定特征多项式的值域范围,并使用除零条件来判断其鲁棒稳定性.仿真数值结果给出了鲁棒颤振速度的上下界,表明了方法的有效性.