基于Floquet理论的旋转风机叶片动力失速气弹稳定性研究

研究旋转风力机叶片动力失速气弹稳定性问题。叶片结构采用标量化的挥舞和扭转自由度耦合的振动运动模型,旋转风机叶片的气动力由Beddoes-Leishman失速模型来模拟,通过攻角在深度失速区域内的变化来计算出周期时变的非线性气动失速负载。在系统静平衡点附近对非线性气弹系统进行线性化,采用Floquet理论分析旋转叶片动力失速气弹稳定性,其结果得到系统时域响的验证。通过数值分析,揭示了挥舞扭转固有频率比和结构阻尼对颤振边界的影响。     

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。     

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。     

扭弯频率比对π型断面节段模型后颤振特性的影响

以某π型断面桥梁为对象，通过弹性悬挂节段模型风洞试验，识别了机械阻尼随振幅的非线性演变特性。在此基础上，研究了扭弯频率比为0.872，0.971，0.988，1.035，1.085，1.245 六种情况下的颤振临界风速及非线性后颤振振动特性。试验结果表明模型在来流风速超过临界风速后出现极限环振动，且极限环振动的幅值随风速增加而增 大。扭弯频率比对模型气弹响应的多方面特性均有实质性的影响，包括颤振临界风速、后颤振极限环振动幅值、后颤振幅值随风速的演变路径、竖向与扭转的耦合程度以及颤振的“软硬”性质等等。研究结果表明，颤振发生时，竖向与扭转自由度以同频率但非零相位差的形式进行耦合，且相位差随风速与扭弯频率比的变化显著。受气动刚度影响，模型扭转振动频率随风速的增加单调下降，但即使对于初始扭弯频率比小于1 的情况，颤振时仍然以竖向与扭转自由度耦合的形式发生，这一点与流线型断面的经典耦合颤振有明显的不同。该研究也反映了现行的公路桥梁抗风设计规范在体现扭弯频率比影响方面的不足。     

平板断面扭弯耦合颤振机理研究

基于二维三自由度耦合颤振分析方法,对平板断面经典扭弯耦合颤振的颤振驱动机理和颤振形态进行了深入研究。研究结果表明经典扭弯耦合颤振仍然是由气动负阻尼驱动的,“气动刚度驱动”的机理解释是不正确的,而气动负阻尼主要来源于系统扭转和竖向自由度运动之间的耦合效应。颤振形态矢量的分析结果显示经典扭弯耦合颤振发生时竖向自由度参与程度较高,表明扭转和竖向自由度的耦合效应相当强烈。对颤振形态同结构扭弯频率比以及颤振形态同结构颤振性能的关系进行了分析,虽然颤振形态同结构扭弯频率比之间存在简单、唯一的对应关系,但颤振形态同结构颤振性能的关系则比较复杂。最后对发生于平板断面的竖弯形态颤振的机理进行了探讨。     

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。     

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。      

超高层建筑多自由度气弹模型的优势及制作方法

首先简要对比了测力天平、刚性模型测压、强迫振动、气动弹性模型等四种试验手段的特点,然后着重分析了底部弹性支撑的摆式气弹模型和多自由度气弹模型试验结果的差异,分析发现,对超高超柔的方截面建筑而言,摆式模型所得的横风向风致响应在小风速下比多自由度模型略大,而在包含横风向共振风速在内的大风速下则明显大于多自由度模型,其气动阻尼特性、气动刚度特性和表面风压相干性等倾向于使摆式模型出现相对较大的风致响应。究其原因,是因为只模拟一阶模态的摆式模型在反映流固互制气弹效应方面不够真实且不及多自由度模型精细,即参振模态的不同(包括参振模态数量、高阶与低阶平动频率比、扭转与平动频率比)会使振动形式发生改变,进而影响振动时的气弹效应并改变振动位移。在此结论的基础上,提出了多自由度气弹模型改进设计方法,该方法考虑了低阶与高阶频率比、平动与扭转频率比的可调性,同时解决了模型弯剪振型成分的可控制性和阻尼调节等问题,以期为实际项目的多自由度模型制作和相关研究提供便利和参考。     

风力机叶片三维模型颤振问题

颤振对风力机叶片有巨大破坏力,作为一种典型的气动弹性稳定性问题,在现代风力机的叶片设计中越来越受到重视。建立叶片三维叶型模型和整机振动结构模型,利用振型叠加法计算不同振动模态下的特征频率、阻尼比和振型,得出不同叶片结构参数与颤振的关系。结果表明,叶片型面质心和扭转中心的距离、拍打方向弯曲刚度和挥舞方向弯曲刚度对颤振发生有较大影响。     

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。     

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。     

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。     

基于气弹试验 15 MW 超长柔性叶片颤振临界风速预测的叶根反力法

颤振是风力机叶片超大化发展必须解决的首要难题，气弹模型测振风洞试验是其最有效的预测方法之一，但传统方法无法精确解决模型相似比和测量精度的难题。本文提出一种基于主梁刚度等效原则的超长柔性叶片气动/刚度映射一体化三维完全气弹模型设计方法，采用高速摄像技术和高频六分量天平进行全风向角同步测振和测力风洞试验；系统研究了 NREL?15 MW 超长柔性叶片的非线性动态响应频谱特性，对比分析了基于叶尖位移与叶根反力的风力机叶片颤振性能和临界失稳状态，发现了采用叶根反力来预测颤振性能的可行性，提出了超长柔性叶片颤振失稳预测的叶根反力法。研究表明：本文提出的气弹模型设计和实验方法能精确有效地模拟风力机叶片动力性能与颤振行为，试验发现超长柔性叶片在桨距角为 93°~96°和 284°~287°区间内发生颤振，颤振区间内颤振临界风速随桨距角的增大呈现先减小后增大的趋势，在桨距角为 94°时达到最小，其风洞临界风速为 5.4 m/s；叶根反力与叶尖位移存在一致发散性和强相关性，提出的叶根反力颤振指标 δ≥2% 时，风力机叶片进入颤振临界状态。     

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。     

基于CFD/CSD耦合的颤振与动载荷分析方法

采用CFD/CSD耦合方法,建立了气动弹性仿真系统。基于系统辨识的方法,使用Volterra级数建立了降阶模型(ROM),实现了颤振边界的快速求解,分别使用CFD/CSD全耦合方法与ROM完成了AGARD 445.6标模的颤振分析,计算结果与实验相符较好。使用ROM完成了带边条平直翼的颤振分析。使用CFD/CSD耦合方法计算了此机翼在飞行动压下的气弹响应,结果表明即使在颤振边界内,仍然有可能出现极限环振荡（LCO）。对此,分析了其气弹响应中的动载情况。结果表明基于CFD/CSD耦合的方法可以真实地仿真气弹响应过程,准确地分析气弹响应中的动态载荷情况     

两自由度弯扭耦合涡轮机械叶片动力学分析

针对涡轮旋转机械的叶片所处的高温、高压及复杂多场环境,建立其弯曲和扭转两自由度耦合的截面模型,研究了来流速度对振幅的影响。利用平均法和能量法原理,得到了系统在发生临界颤振时的幅频关系以及在能量输入输出情况下系统的稳定性关系,避免了颤振发生引起的气动弹性设计失效问题,从而对叶片的优化设计提供理论依据。     

支撑刚度对飞翼模型固有模态和体自由度颤振特性的影响

研究了支撑刚度对飞翼模型固有模态和体自由度颤振特性的影响规律。首先,建立了典型飞翼的半翼展结构动力学有限元模型和颤振分析模型,进行了自由-自由状态下的对称模态特性和体自由度颤振特性计算。然后,考虑飞翼模型在风洞实验中的典型支撑条件,在模型质心处采用沉浮弹簧及俯仰弹簧模拟其支撑刚度特性,在一系列支撑刚度下,计算了飞翼模型的低阶固有频率和体自由度颤振特性。结果表明,随着沉浮和俯仰支撑刚度的增大,对应的飞翼模型刚体模态频率呈上升趋势;与沉浮支撑刚度相比,俯仰支撑刚度对机翼对称一弯频率的影响相对较大。单独采用沉浮支撑会使飞翼模型在较低风速下发生俯仰/沉浮耦合型颤振;单独采用俯仰支撑则可获得与自由状态类似的俯仰/机翼对称一弯耦合型颤振。研究发现,通过适当地调整沉浮、俯仰支撑刚度值的组合,使得模型的俯仰频率超过沉浮频率一定比例后,可以获得与自由-自由状态近似的体自由度颤振结果。本研究对于飞翼体自由度颤振风洞试验模型的支撑刚度设计具有现实意义。     

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。     

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。