风力机叶片三维建模与力学特性分析研究

风力机叶片的三维建模与静力学和动力学分析是开展风力机叶片可靠性分析和优化设计的前提。通过给定翼型的二维离散坐标点来计算叶片上位置叶素所对应模型信息,结合三维建模和有限元分析软件,开展了入流风载荷作用下叶片的静强度、模态和谐响应分析,获得了叶片结构的最大应变、应力、典型振动模态和（0～120）Hz激励频率作用下变形量的频响峰值,为大中型风力机叶片（基于疲劳失效）的结构优化设计和可靠性分析提供重要参考。     

基于气弹耦合特征的风力机叶片优化设计

为提高风力机叶片气动结构性能,基于风力机风轮空气动力学及叶片结构动力学原理,选取叶片所处位置及扭转变形为自由度,在研究叶片摆振、摆振方向各阶振动模态的基础上,提出风力机叶片气动弹性耦合振动变形计算模型。基于风力机整机部件构成及输出功率特征,提出风力机叶片优化设计模型,对某5 MW风力机叶片的进行形状优化设计,通过对比分析优化叶片和原始叶片的输出功率及气弹载荷特性,验证优化叶片气动及结构性能的优越性。     

小型风力机叶片模态特性及强度分析

以600W水平轴风力发电机(HAWT)叶片为研究对象,基于结构动力学和空气动力学相关理论,利用有限元ANSYS分析软件,首先对叶片在静止和不同转速下的模态特性进行分析和比较,然后根据风力机叶片所受载荷的主要形式,将载荷施加到风力机叶片上,对叶片进行强度分析。结果表明:叶片在旋转状态下的固有频率高于叶片在非旋转状态下时的固有频率,而振型在两种状态下相似。叶片受到载荷后,叶片中部(特别是中部前缘)是叶片易损部位。研究结果对风力机叶片的动力学分析、优化设计及疲劳分析有一定的指导意义。     

风切变效应对风力机叶片结构性能的影响分析

利用ANSYS软件的复合材料模块建立某5WM水平轴风力机叶片的铺层模型,通过静力分析和模态分析研究了风切变效应对叶片结构特性的影响.采用Fluent软件对风力机叶片在有无风切变來流的情况下进行数值模拟,将数值模拟所获得的载荷加载到叶片铺层结构上,研究风切变效应对风力机叶片结构特性是否产生影响.结果显示:风切变效应使來流风速的均值减小,从而导致所获载荷降低,使叶片的最大应力和最大位移减小;当有预应力干扰时,叶片的模态频率和叶尖变形量都明显提高,这会对叶片的结构特性产生影响.     

风力机叶片动力学响应的数值模拟研究

针对旋转风轮的工作特性,考虑风力机叶片空气动力学载荷、惯性载荷及重力载荷的耦合效应,建立了风力机叶片交变载荷的计算模型。基于叶片的载荷模型,以结构动力学理论为基础,在研究叶片位移向量与振动变形之间关系的基础上,提出风力机叶片动力学响应的数值模拟方法。选取某5MW风力机为研究对象,分析了该风轮的空气动力学性能,数值模拟了额定风轮转速和额定风速下风力机叶片的轴向和切向载荷分布,以及该载荷特性下叶片在挥舞方向和摆振方向的振动速度和振动加速度变化规律。     

水平轴风力机叶片的结构设计与有限元分析

设计了一种1．5MW水平轴风力机叶片模型,运用ANSYS Workbench对叶片模型添加材料属性、划分网格、施加载荷与约束进行有限元分析。进行了叶片在静止状态和有预应力作用两种工况下的结构模态计算,分析了叶片在被施加极限挥舞栽荷作用下的表面应力分布情况,计算了叶片的最小模态频率和最大应力分布情况。     

叶尖小翼对3MW风力机叶片模态分析的影响

作为风力机的重要部件,叶片为一容易发生振动的细长弹性体。叶尖小翼虽可增加风力机的输出功率,但必然对叶片结构强度产生影响。选定叶片的材料参数,应用Ansys软件对带小翼与不带小翼叶片进行模态分析,确定叶片结构的固有频率和振型等振动特性。并对各阶模态结果进行对比分析,得出在重力作用下叶尖小翼对风力机叶片模态特性的影响。结果表明,叶片叶尖加小翼虽然对叶片的模态特性产生一定影响,但不会发生共振,符合强度要求。     

大型风力机柔性叶片非线性气弹模态分析

针对风力机尺寸增大,叶片刚柔耦合和气弹耦合特性增强,研究大型风力机转动柔性叶片弯曲与扭转耦合变形下的气弹模态及其稳定性。为准确描述柔性叶片的非线性变形特性,采用"超级单元"将柔性叶片离散成若干个刚体,并由运动副与力元连接构成多体系统,而后通过牛顿-欧拉方程建立叶片非线性动力学方程;气动模型则采用叶素动量理论结合修正的B-L (Beddoes-Leishman, B-L)动态失速模型,计算非定常气动载荷;然后基于变分原理,线性化叶片结构与气动载荷动力学方程,构建转动叶片的气弹线性化状态方程。最后以NREL 5 MW叶片为研究对象,在确定尖速比下,分析大型柔性叶片转动条件下的气弹复模态,计算叶片气弹频率与气弹阻尼比,分析叶片气动阻尼对颤振的影响,探究大型叶片颤振失稳机理。     

3MW风力机叶片设计建模与模态分析

叶片是风力机的重要部件,总结叶片设计流程,选择合理设计参数,设计出3 MW水平轴风力机叶片。因叶片为一易发生振动的细长弹性体,且叶尖小翼虽可增加风力机的输出功率,但必然对叶片的结构强度产生影响。因此对叶片进行重力预应力模态分析,确定叶片的各阶模态振型、频率、最大变形量及最大应力,得出叶尖小翼对叶片模态分析结果的影响。     

水平轴风力机叶片动态响应分析

为了获得水平轴风力机叶片在时变载荷作用下的动态响应,把叶片简化成悬臂梁,利用二结点梁单元进行离散化建模,并考虑由于叶片旋转所产生的离心刚化作用和气动阻尼作用,分析叶片弯曲振动的固有动力特性。在建立叶片结构动力学运动方程、计算叶片所受时变载荷的基础上,运用Newmark法和模态叠加原理对风力机叶片的动态响应进行计算,编制相应的有限元计算程序。以某1.0MW风力机为例,仿真其在湍流风场作用下的发电工况,获得其叶片的结构动力响应。仿真结果表明,大型水平轴风力机叶片在工作过程中承受较大的振动和变形,离心刚化和气动阻尼作用都对其结构动力响应有着较大影响。     

风力机柔性叶片模态气动阻尼分析方法研究

针对大型水平轴风力机柔性叶片的模态气动阻尼数值分析方法进行研究。运用多体系统动力学建模方法和风力机叶片空气动力学模型,建立柔性叶片的气弹耦合方程,在求解此方程得出叶片在某运行工况下的气弹响应基础上,结合柔性叶片振动模态参数包括模态频率、模态向量和模态质量等物理量的识别和振动能量损失法,即计算气动力在叶片振动周期内所做的功,导出叶片模态气动阻尼比计算式,建立叶片挥舞、摆振各阶模态气动阻尼比分析流程。算例分析某柔性叶片在多种稳态风速下一阶模态气动阻尼比,表明所建立分析方法的有效性和可靠性。为大型风力机柔性叶片气动阻尼特性和气弹稳定性分析提供了有效的分析手段。     

湍流模型下风力机叶根螺栓动载强度分析

叶根螺栓作为风力机叶片的重要连接紧固部件,在风力机运行过程中具有重要作用.以2 MW风力机叶片与变桨轴承连接螺栓为研究对象,建立了三维湍流气动载荷、重力载荷和离心力载荷作用下的风力机叶根螺栓动态强度分析模型.在正常运行与部分螺栓断裂失效两种情况下,通过有限元分析得到叶根连接螺栓的应力分布.与传统螺栓强度分析相比,能够得...     

基于气弹耦合理论的风力机叶片气动与结构性能数值模拟

以动量叶素理论为基础,充分考虑叶尖损失对风轮空气动力学特性的影响,建立了新的风力机叶片气动性能分析模型。基于结构动力学原理,建立了风力机风轮旋转工作条件下叶片的结构性能分析模型。通过研究风力机叶片在其载荷特征作用下的变形对风场来流的影响,耦合叶片的气动及结构力学模型,提出了一种旋转风力机叶片的气动与结构性能分析方法,使得风力机叶片的性能参数分析更为准确。以某5MW风力机风轮为算例,数值模拟了该风轮的气动载荷及输出功率特征,对比分析了该风轮不同风速及不同时刻条件下叶片的预弯变形及振动特性,很好的验证了提出模型的可靠性。研究结果对风力机叶片的疲劳寿命预测和振动噪声预估有着重要的理论意义。     

基于叶素-动量理论及有限元方法的风力机叶片载荷分析和强度计算

风力机叶片是整个风力发电机组的核心部件,其结构需保证风力机可以有足够的刚度、强度和稳定性.风力机叶片所受载荷是强度分析的关键.运用CATIA对风力机叶片进行三维建模,得到叶片的外型参数.基于叶素-动量理论(BEM)对风力机在正常工况下所受到的载荷进行分析和计算,并利用有限元软件(ANSYS)对其进行应力分析,得到了叶片上的应力分布规律,并对其进行了强度校核.分析结果可为风力机叶片载荷研究做参考.     

3MW海上风力机叶片的三维建模及模态分析

叶片作为风力机的重要部件,对其进行合理的设计至关重要.研究了兆瓦级水平轴风力机叶片的设计流程,针对海上风电机组所处的复杂外部环境,选择合理的设计参数,设计出满足海上工作环境的3MW水平轴式风力机叶片;使用三维绘图软件,完成叶片的三维实体建模;运用有限元方法,选定叶片材料的特征参数,进行叶片的模态分析,确定了叶片的振型模态,并对比分析叶片各阶的振型模态结果.结果表示,该叶片的固有频率与外部激振频率不重合,避免了共振破坏的发生.     

工字梁结构对双腹板预弯叶片变形量影响的研究

为减少风力机叶片在额定工况下的叶尖形变量，提高叶片抗弯性能，增加机组安全性，借鉴工字梁理论对风力机叶片腹板进行加强，以某1.5 MW风力机叶片腹板为研究对象，建立了一种工字梁腹板结构，共计6组，并与原叶片在相同的力学模型下进行对比。使用APDL软件进行了叶片的模态分析及静力学分析，比较了原叶片与工字梁叶片的模态振型、振动频率及叶尖最大位移等力学性能。模态分析表明，工字梁腹板叶片比原叶片的一阶位移下降了3.34%,一阶频率降低了3.24%,总体均高于共振频率；静力学分析表明，工字梁腹板叶片比原叶片叶尖位移最多降低了6.38%,具有更高的抗弯性能，在叶片结构设计中可进一步减少预弯。     

电压跌落对风力机塔架振动影响分析

为分析电网电压跌落对风力机塔架振动的影响,利用二节点梁对风力机塔架进行离散化建模,分析了塔架振动的模态。建立了塔架动力学运动方程,考虑风切变,分析了塔架所受的载荷。基于某风场某型1.5MW风机低电压穿越测试的数据,计算了塔架所受的载荷,并利用模态综合法求解塔架动力学方程,得到对称与不对称电压跌落风力机塔架的瞬态响应。结果表明,电压跌落会对塔架产生冲击效应,冲击的大小与机组工况,电压跌落形式,跌落幅值以及跌落时间相关。     

风力机结构动力学新模型与动态响应求解计算

由于风力机所受风力来流的随机性和风力机结构的复杂性,风力机在随机风载荷下的动力学行为分析一直是风电行业急需解决的难题之一。采用刚体有限元法,将柔性塔架与叶片通过刚体单元与弹性阻尼节点进行离散,建立了风力发电机结构动力学新模型,利用模态叠加原理与Newmark法对动态特性进行了求解计算,编制相应的MATLAB仿真程序。以某型NERL 1.5MW风力发电机组为例,研究了固有频率及振型,湍流风条件下的位移、速度响应。计算结果同风力机软件GH-Bladed数据对比。结果表明:刚体有限元法建立的动力学模型准确可靠,适用于风力发电机的动力学分析计算。     

大型风力发电机柔性体叶片动力特性研究

风力机叶片的动力特性会影响整机的性能,鉴于大型风力机叶片的柔性化特点,采用柔性多体动力学方法来研究大型风机叶片更加符合实际.考虑复合材料叶片各向异性的特点,通过ANSYS和ADAMS软件建立了750 kW风机叶片的柔性体模型及风轮的刚柔混合体模型,利用载荷的文档输入法将BLADED计算的风力机载荷生成曲线并加载到风机上,对风轮进行动力学仿真分析.结果得到了风机叶片的动态特性数据,并与刚性体叶片特性进行对比,这将有助于风机整机动态特性的研究,也为大型风机叶片的故障分析、优化设计提供参考.     

极限载荷作用下风力机叶片跨尺度分析

跨尺度分析是风力机叶片力学性能研究的重要方法,首先对风力机叶片在极限载荷作用下进行有限元分析;然后结合最大正应力准则及桥联模型将叶片的宏观响应传递到细观模型,对叶片进行细观失效分析;最后依据Tsai-Wu失效准则和层合板理论将细观材料强度转换为宏观层合板强度,对叶片进行宏观失效分析。仿真与理论的结果表明：根据该方法可以判断风力机叶片在不同尺度下是否出现失效以及出现的失效形式;同时可以完成跨尺度的材料强度预测,对风力机叶片的失效预测具有重要的工程价值。