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大型风电机组塔架叶片耦合结构动力学联合仿真分析

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摘要

1.1.1 课题研究背景

1.1.2 课题研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 课题的主要研究内容

第2章 大型风电机组塔架叶片耦合结构动力学理论

2.1 引言

2.2 柔性理论在塔架叶片耦合中的应用

2.3 塔架叶片耦合结构动力学应用分析

2.4 塔架分段处结构动力学分析

2.5 大型风电机组塔架叶片耦合结构三维结构建模

2.6 本章小结

第3章 柔性多体塔架叶片耦合气动响应特性分析

3.1 引言

3.2 气动载荷及流程图

3.2.1 湍流风场载荷

3.2.2 流程图

3.3 气动响应特性分析

3.3.1 模态分析

3.3.2 诱导因子对气动响应特性的影响

3.4 实验验证

3.5 本章小结

第4章 塔架叶片耦合振动对系统稳定性的影响

4.1 引言

4.2 基本方程理论的应用

4.3 风力机塔架叶片耦合模型风致振动

4.3.1 风力机塔架叶片耦合模型的振动特性

4.3.2 风力机塔架叶片耦合模型风致响应

4.3.3 风致响应动力参数变化分析

4.4 系统稳定性影响分析

4.5 本章小结

5.1 引言

5.2 大型风电机组塔架叶片耦合分段式结构

5.2.1 分段式三维结构动力学模型

5.2.2 分段式三维结构应用基本控制方程

5.2.3 分段处边界条件及模型验证

5.2.4 塔架模态振型图分析

5.2.5 双向流固耦合法流程图

5.3 大型风电机组柔性塔架分段处动态响应分析

5.3.1 柔性塔架分段处法兰耦合结构模态分析

5.3.2 柔性塔架分段处法兰耦合结构流体动力学分析

5.3.3 塔架分段与锥筒式性能对比

5.4 主振动与内振动联合作用下结构动力学分析

5.4.1 主要应用控制方程

5.4.2 边界条件及流程图

5.4.3 动力响应分析

5.4.4 结构改进措施

5.5 本章小结

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介

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摘要

随着风力机大型化发展趋势的加剧,在运行过程中往往伴随着振动,在考虑非线性振动情况下,进行结构动力学特性研究具有重要的应用价值。大型风电机组塔架叶片耦合振动属于非线性耦合振动,由此带来的位移及应力变化等对系统稳定性会产生重要影响。塔架与叶片作为风电机组主要弹性体,其耦合结构的振动直接影响系统各部件之间的分级式耦合,从而影响整个系统的稳定性。为了研究大型风电机组结构动力学,利用联合仿真技术对大型风电机组塔架叶片耦合结构进行多参数监测,经过不同工况下的响应分析,确定需要改进的结构部位,监测塔架叶片耦合结构关键部件的多参数随时间变化情况,研究各参数变化对结构的影响,提出改进措施,并且将改进前后的结构部位进行动力学对比分析。采用谐波合成法产生的气动载荷,结合振动的位移应变关系及势能理论,进行模态分析,对塔架叶片耦合结构进行风振响应分析,从而得出塔架叶片耦合振动及结构参数对于风电机组稳定性的影响,以及为大型风电机组运转过程中动力学参数的状态监测与控制提供参考价值。
  在可再生能源日益受到重视的当下,把风电机组作为复杂多体系统考虑,其动力学联合仿真分析对大型风电机组的优化设计具有重要的现实意义。本课题主要完成了以下工作:
  (1)针对大型风电机组柔性多体塔架叶片耦合结构气动响应问题,提出在不同偏航角度下的分析方法。根据该方法的流程图,建立大型风电机组柔性多体塔架叶片耦合结构动力学模型,采用谐波叠加法计算气动载荷分布,考虑塔影效应与风剪切的影响,结合模态分析,得出诱导因子与气动响应时程曲线。结果表明,塔架叶片耦合结构在扭转、挥舞、摆振三种形式中,随着偏航角度的增大,动态位移变化幅值减小,叶尖弯矩与叶根剪力均值逐渐减小,轴向与切向诱导因子变化较小,尾流稳定。大型风电机组塔架叶片耦合结构的气动响应直接决定振动位移变化,从而对风力机发电效率产生影响。塔架叶片耦合结构作为承受空气动力的主要构件,气动响应产生的位移及变形对于大型风力机叶片设计、保障安全稳定运行起着重要作用。
  (2)关于大型风电机组塔架叶片耦合振动引起的风力机柔性多体系统稳定性问题,进行了相应的振动学研究。考虑塔架的结构参数对系统稳定性产生的影响,计算了系统及各部件的自然频率,对风电机组塔架叶片耦合结构进行振动分析。采用谐波合成法产生的气动载荷,对塔架叶片耦合结构进行了风振响应分析,从而得出塔架叶片耦合振动及结构参数对于风力机柔性多体系统的影响。结果表明,塔架结构参数变化及塔架叶片耦合振动位移对风力机柔性多体系统稳定性产生一定的影响,从而为大型风电机组正常运行提供一定参考价值。
  (3)针对大型风电机组柔性塔架分段处的动态响应问题,进行动力学分析。利用双向流固耦合法对塔架分段处法兰进行流体与结构动力学分析,结合流程图,得出塔架法兰典型模态振型图。考虑塔架叶片耦合结构的流体动力学分析中,在风剪切与脉动风联合作用下,得出塔架法兰的速度、压力、剪应力、涡量分布,同时将考虑耦合作用与未考虑耦合作用进行塔架法兰的应力、位移的对比。结果表明,塔架法兰的剪应力呈现非线性变化趋势,均布排列的螺栓风速云图稳定,考虑耦合作用的塔架法兰变化幅度比未考虑耦合作用小。该结果为大型风电机组塔架叶片耦合作用下的塔架分段处法兰结构状态动力学参数监测提供参考价值。
  (4)通过大型风电机组整体振动与局部振动的联合作用,研究塔架叶片耦合结构振动的动力响应。结合振动的位移应变关系及势能理论,对其进行模态分析,重点分析了在脉动风载荷作用下的动力响应情况。经过动力学参数变化曲线分析,提出塔架的结构改进措施,并且将改进前后的结构进行动力响应的对比,阐述了改进后结构的优越性,从而为工程应用提供值得参考的依据。

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