小型风力发电机叶片模态特性分析

以800W水平轴风力发电机叶片为对象,研究其叶片的模态特性．从理论上介绍了应力刚化和旋转软化对叶片固有频率的影响,并给出了考虑应力刚化和旋转软化效应的振动方程;利用ANSYS软件建立了有限元模型,分别对风力发电机叶片在仅考虑应力刚化或旋转软化时,以及同时考虑应力刚化和旋转软化时的模态特性进行了计算分析．计算结果表明：应力刚化对固有频率的影响比旋转软化大;仅考虑旋转软化时,叶片的固有频率比零旋转角速度时低;而综合两者的影响时,叶片的固有频率比零旋转角速度时高．     

基于旋转软化的汽轮发电机组轴系振动研究

利用有限元法建立了汽轮发电机组轴系试验台模型,分析了陀螺力矩、应力刚化及旋转软化效应对弯曲和扭振模态的影响,导出了相应的动力学方程,运用程序计算了该轴系试验台模型的扭转、弯曲及弯扭耦合振动.结果表明：扭转振动影响到轴系的安全运行,存在多种形式的弯扭耦合振动;旋转软化效应对第一、第二阶弯曲反进动模态产生显著影响;应力刚化效应进一步提高了第三阶弯曲正进动模态频率;考虑应力刚化及旋转软化效应的影响,可求得扭振模态频率及临界转速;与梁模型相比,采用实体单元时的仿真度高,计算结果更准确.     

基于旋转软化的转子弯曲振动研究

利用有限元法,分别建立了梁及实体转子模型,研究弯曲振动特性。考虑转动惯性、陀螺力矩、应力刚化及旋转软化效应,导出了相应的动力学方程。开发程序计算了转子的正、反进动频率、临界转速等。计算表明:旋转软化效应显著影响了转子弯曲的反进动模态,应力刚化则进一步影响了正进动模态。不同弯曲振动模态受到的影响不同,具有非线性特性。与梁模型相比,采用实体模型计算转子的弯曲振动,仿真度高,便于准确求解,同时也拓宽了转子动力学分析范围。     

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。     

基于旋转软化的风力发电机叶片动力学研究

在考虑旋转软化效应的条件下,研究了风力发电机叶片在不同转动状态下的挥舞、摆振、扭转及耦合振动.结果表明:叶片各阶振动频率随转动速度的增大而增大,旋转软化导致振动频率相应降低;旋转软化对低频摆振的影响很大,对其他振动模态影响较小.随着旋转速度的变化,叶片各阶振动频率的变化幅度也不同,会导致相互之间的耦合振动.耦合振动时,扭转振动模态中含有挥舞振动模态,挥舞振动模态中又含有扭转振动模态.耦合振动具有更大的破坏性.     

基于流固耦合的风力机模态分析

风力机大型化的发展趋势对风力机自身动力学特性的要求越来越高,开展风力机模态分析对于风力机的设计至关重要。文章采用k-ωSST紊流模型和滑移网格技术,对美国国家可再生能源实验室5 MW海上风力机进行了流固耦合模态分析。结果表明,旋转风轮中各叶片变形相互影响,并与轮毂的弹性变形成为一个耦合系统,其固有频率相对于单叶片有较大幅度降低;动力刚化效应使得叶片的固有模态频率增加;考虑风轮的流固耦合效应时,风轮的自振频率要比不考虑流固耦合效应时低;整机在流固耦合作用下一阶模态值大于旋转频率,大于波浪的频率,不会发生共振。     

基于摄动模态分析的风电叶片动力学特性研究

针对大尺寸叶片运行状态下受旋转软化效应和动力刚化效应耦合作用从而导致其模态特性改变的现象，提出一种基于摄动模态分析的旋转叶片振动分析方法。建立0.89 m和61.5 m两种型号的叶片模型，通过数值模拟分析叶片在0～50 r/min转速范围内这两种效应对叶片频率的影响。基于计算的频率差值Δf的变化规律，研究叶片3种主要振型与这两种效应之间的关联关系。最后，为验证数值模拟的准确性，通过锤击法进行实验模态分析并与数值模拟结果进行比较。实验结果表明，其一、二阶模态频率误差均在1%以内，计算结果较为准确。     

基于一次近似模型的风力机叶片振动频率分析方法

为分析风力机叶片在旋转时的振动频率,采用刚-柔耦合一次近似模型,并考虑离心刚化效应,推导叶片在旋转时的动力学方程,并给出叶片的刚度和质量矩阵的表达式。最后,计算某风力机叶片在不同转速和不同轮毂半径下的振动频率。计算结果表明,一次近似模型中的刚-柔耦合效应对叶片旋转时的各阶振动频率均有较大影响。研究结果对风力机叶片的动力学设计具有一定参考价值。     

增压器涡轮叶片模态特性研究

基于有限元法，对增压器涡轮吉进行模态特性研究，从理论上探讨了材料参数，离心惯性及工作温度对涡轮叶片模态特性的影响。根据Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理，推导了考虑离心惯性力影响的涡轮叶片振动方程。给出了材料参数，工作温度对涡轮叶片模态特性影响的解析式。在涡轮转速不十分高时，引入等效弹性模量的概念，得出涡轮转速对叶片模态特性影响的近似公式。     

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。     

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。     

Modal re‐analysis of rotary wind turbine blades in refinement design

A modal re‐analysis approach is proposed for refinement designs of rotary wind turbine blades on the basis of matrix perturbation methods. The approach entails effects of stress stiffening, spin softening, uncertainty of material properties and structural modifications of blades. Three perturbation methods are used to conduct the re‐analysis approach, including the standard perturbation method and two improvements proposed by H. C. Hu and S. H. Chen, respectively. Numerical results of a typical wind turbine blade indicate that the two improved methods deliver better accuracy than the standard perturbation method in terms of eigenpairs. In application to blade designs, Chen's method is suitable for a multi‐step modal re‐analysis with explicit small parameters and cultivates the first‐order and second‐order perturbations of eigenpairs as well. In contrast, Hu's method is a better choice for a single‐step modal re‐analysis without determining any small parameter explicitly and directly offers approximate eigenpairs instead of somehow tedious perturbation processes. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

风力机旋转叶片的多体动力学数值分析

在现代柔性多体系统动力学理论的框架上，研究了风力机叶片的空间旋转运动与其弹性变形问的耦合关系；对旋转叶片进行有限元离散，采用凯恩（Kane）方法，建立了一般形式的大型风力机叶片柔性多体动力学方程；结合大型叶片几何构形特点，导出了旋转叶片的空间梁单元动力矩阵的显式形式；以1．5MW风力机叶片为例，计算了该叶片的固有频率并与常规有限元数值分析结果进行了比较，体现了旋转叶片的动力刚化效应，更准确地反映了叶片的动力学特性。     

振动下传对T型叶根三联叶片模态阶序的影响

采用三维8节点非协调单元有限元模型,对汽轮机调节级T型叶根三联叶片在静止和工作状态下的振动特性进行了计算分析.计算中考虑了工作状态下温度的影响和离心力作用使得轮缘周向尺寸增大,造成叶根松动,导致振动延伸到叶根部分的情况.计算结果表明：振动下传不仅导致旋转状态下的固有频率小于相应的静止状态下的值,而且由于叶片参振结构和质量的重新组合,导致叶片模态阶序发生了转移和变化.在静止时,叶片的第1阶固有振动为切向振动,第2阶固有振动为轴向振动,而旋转状态下,第1阶固有振动变成了轴向振动,第2阶固有振动变成了切向振动.图6表1参5     

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.