基于多体动力学方法的风力机动态响应研究

发布时间：2020-11-16 00:29

　　 随着风力机向超大型化发展,叶片柔度不断增大使整机的气弹响应问题更为复杂。在各种工况环境下,整机动态响应的精确计算是机组安全运行的根本保障,同时也能够有效减小设计中安全系数的取值使机组具有更好的经济效益。对于海上风力机,还需要考虑波浪和海流作用于支撑结构上的非定常水动载荷影响。为准确计算在复杂工况下,大型风力机整机的动态载荷情况,本文耦合空气动力学、水动力学、结构力学等多学科问题,构建了高效的海上风力机整机动态响应计算模型。采用变分渐进梁截面分析方法精确计算复合材料叶片的截面特性,结合推导的空间欧拉梁模型,建立了能够考虑弯曲与扭转耦合效应的叶片动力学方程。对于风力机整机的动力学模拟,采用笛卡尔坐标描述部件的刚体运动,混合坐标方法描述部件的弹性变形,通过第一类拉格朗日方程推导得到整机刚柔耦合多体系统的动力学方程组。对叶片、塔架等部件考虑其弹性变形影响,而对轮毂、机舱等刚度相对较大的部件则简化为刚体,部件之间通过不同类型的约束互相连接,形成完整的整机动力学系统。本文采用考虑结构变形和振动速度影响的自由涡尾迹方法,实现风力机叶片上非定常气动载荷的精确计算。叶片气动特性采用简化的升力面模型描述,而尾迹则由考虑每个叶素脱落涡的近尾迹区域和只考虑叶尖、叶根涡的远尾迹区域组成。采用直线涡元近似模拟尾迹的曲线涡元,由Biot-Savart定律得到各涡元对空间点的诱导速度,粘性涡核模型消除数值上的奇异。对涡线控制方程的时间步采用预估-校正格式进行离散,得到了风力机非定常状态下的尾迹形状。同时叶片的非定常气动载荷计算中,考虑了对动态失速以及三维旋转效应的修正。对于海上风力机支撑结构的波浪载荷计算,构建了高精度的数值水池模型。数值水池基于求解不可压雷诺平均N-S方程建立,采用VOF模型捕捉多相流间的交界面,UDF模块及弹簧网格技术控制水池中的造波以及消波过程。该方法具有很好的计算精度并能够得到详细的流场信息,但计算量较大。本文也采用Morison工程方法对支撑结构的波浪载荷进行计算,结果与数值水池和试验方法得到的结果进行对比,显示在适当的系数下工程算法具有很好的计算精度并且效率很高。采用P-M谱对随机波浪进行模拟结合Morison方法对波浪载荷进行计算,耦合气动力模型和整机动力学模型,构建了海上风力机整机的动态响应计算方法。在此基础上,以某6MW风力机为模型计算了稳态偏航、湍流风场以及动态偏航等工况下整机的动态响应情况。结果显示本文构建的计算模型,能够更好的反映尾流对于动态载荷的影响情况,对于机组处于动态操作过程中的载荷计算具有更好的精度。在相同工况下,与陆上机组的动态载荷对比显示,由于海上固定式风力机支撑结构的刚度较大,波浪载荷对于整机的动态响应影响较小。同时采用构建的整机动态响应分析方法,计算了叶片由于复合材料铺层方向、几何变形引起的自适应弯扭耦合效应对载荷的影响,塔架高度对于整机成本和年发电量的影响以及塔架和低速轴柔性对整机的动态载荷影响情况。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM315;O313.7
【部分图文】：

南京航空航天大学博士学位论文。并且通过采用更加的先进控制策略，例如独立变桨或预先变需要具有高精度的整机动态响应计算方法。力机组，整机动态仿真面临的问题更为复杂。随着海水深度的本不断增大，海上风力机的支撑结构由浅水中的固定式逐步变示。支撑结构的形式在浅水区中与陆上风力机基本相同，采用区中，目前的试验样机多采用了浮动平台结合张力绳索与海底撑结构的运动，是风、浪、流等相互耦合的作用，使得动态响于我国东部沿海区域的风场，由于地球自转以及大气环流的影生成、活动的高发区域，台风和飓风工况下风速、风向的剧烈为增强机组的抗台风能力，海上风力机组通常采用了更大柔性降低载荷的脉动来保护机组的安全。为了准确计算在复杂工况态载荷情况，必须耦合空气动力学、水动力学、结构力学等多动力学响应的计算方法。

121G 叶片的结构型式早期基本沿用了飞机机翼设计的思路，主要采用全包着叶片的大型化发展，这些结构型式无法使材料得到最为合理的利用及刚度性能的要求。目前，大型风力机叶片基本都采用了空心薄壁式板加主梁型式，部分超大型叶片为提高剪切强度也采用了三腹板型式维复合材料叶片主要是由外蒙皮、内蒙皮、主梁、腹板、尾缘梁等受片受到的弯曲、剪切和扭转载荷，常见的叶片结构形式如图 2.1 所示状复合材料结构，通常由双轴或三轴玻璃纤维组成，其主要作用为提还承担着大部分剪切载荷和部分弯曲载荷。主梁是叶片的主要受力部曲载荷，为了提高主梁的强度与刚度，通常采用单轴玻璃纤维组成。切部件，为了防止发生局部失稳剪切破坏，腹板通常是双轴玻璃纤维层结构。风力机叶片的部分前缘和尾缘处也存在加强梁设计，用以提弯曲刚度，通常也采用与主梁一致的单轴玻璃纤维铺层结构。叶片的梁过度部分都采用夹芯材料填充形成的夹心层，用以提高叶片结构的分增强使叶片刚度特性。

其中1b 指向参考线的切线方向，如图2.4 所示。那么，结构上任意点的空间位置可以由坐标系原点向量和截面坐标系下的向量描述，可表示为：( ) ( ) ( )1 2 3 1 a 1x ,x ,x x x xαr r b (2.12)图 2.4 梁变形示意图当梁结构发生变形时，坐标系ib 旋转到新的位置iB 。若考虑剪切变形，变形后1B 将不再
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本文编号：2885396