海上风力机叶片强度及其动力稳定性分析

发布时间：2022-06-02 22:16

　　风力发电正由陆地走向海洋,但由于海上风速随机变化性较大,叶片的受力复杂多变,这造成风力机叶片不能正常运行,甚至失效和毁损的例子屡见不鲜。因此,在复杂海上工况下,针对风力机叶片开展强度与动力稳定性分析的研究成为迫切需要解决的重要课题。鉴于此,本文基于UG建立的叶片三维实体模型为研究对象,利用ANSYS、Matlab、Profili等软件研究了随机风速和风机旋转角速度对叶片振动与强度影响规律,搜索了特定海风工况下风力机叶片相关参数的动力失稳区域。具体进行了以下的研究工作:（1）利用风力机空气动力学基本理论建立了风轮静止和旋转工况下叶片的气动模型,在叶型弯扭耦合振动模型的基础上,结合广义坐标系与系统拉格朗日方程建立了叶片结构运动控制方程;（2）引入更加贴近实际工况的Davenport风谱模型,运用Matlab和Profili软件实现了随机风载荷的求解,并利用三维建模软件UG解决了不规则模型难以实现有限元结构化网格划分问题;（3）在不同风速下,数值模拟和分析了风机叶片分别在停机和旋转状态下的动力特性,并开展了这两种工况下的应力对比分析与强度校核工作;（4）探究了平均风速、弹性模量对叶片动力稳定... 

【文章页数】：75 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 本文研究背景及意义
        1.1.1 国际能源背景
        1.1.2 海上风机应用背景
        1.1.3 课题研究的意义
    1.2 国内外风电产业发展概况
        1.2.1 国外风电发展现状及趋势
        1.2.2 国内风电发展现状及趋势
    1.3 本文研究现状
        1.3.1 叶片振动与气动特性研究现状
        1.3.2 叶片疲劳破损及应力强度问题研究进展
    1.4 本文主要研究内容
2 风机叶片动力学分析与强度校核理论模型
    2.1 风力机结构简介
    2.2 风力机空气动力学基本理论
        2.2.1 风轮动量理论
        2.2.2 叶素理论
        2.2.3 动量—叶素理论
    2.3 随机风速模型
    2.4 叶片基本载荷
        2.4.1 重力载荷
        2.4.2 离心力载荷
        2.4.3 气动载荷
    2.5 结构运动方程
    2.6 风力机叶片强度校核准则
    2.7 本章小结
3 风力机叶片实体建模与有限元分析
    3.1 风力机叶片实体建模
        3.1.1 叶片翼型数据选取
        3.1.2 叶片翼型三维坐标的确定
        3.1.3 叶素曲线的绘制
        3.1.4 叶片模型的生成
    3.2 有限元模型的网格划分
        3.2.1 有限元法基本思想
        3.2.2 单元类型和叶片属性
        3.2.3 结构网格的划分
    3.3 基于优化网格划分方式建模方法的改进
        3.3.1 数据点拟合翼型样条曲线方法的改进
        3.3.2 翼型样条曲线的前缘分割
        3.3.3 叶片根部圆形曲线的分割
    3.4 数值模拟流程
    3.5 模拟结果可靠性验证
    3.6 本章小结
4 风机叶片动力响应数值模拟与分析
    4.1 随机风速作用下叶片载荷计算
        4.1.1 随机风速模拟
        4.1.2 升力系数和阻力系数的确定
        4.1.3 风载荷计算
    4.2 静止状态下风机叶片动力学分析
        4.2.1 位移响应分析
        4.2.2 应力响应分析
    4.3 旋转状态下风力机叶片动力分析
        4.3.1 位移响应分析
        4.3.2 应力响应分析
    4.4 不同旋转状态下的应力分析
        4.4.1 根部应力分析
        4.4.2 翼展方向应力分析
    4.5 强度校核
    4.6 本章小结
5 风力机叶片动力稳定性数值模拟与分析
    5.1 叶片模态分析
        5.1.1 模态求解基本方程
        5.1.2 模态分析基本步骤
    5.2 特定工况下风场模型构建
        5.2.1 风速模拟
        5.2.2 气动系数及载荷计算
    5.3 叶片振动特征分析
        5.3.1 非周期性风速工况下叶片的振动分析
        5.3.2 周期性风速作用下叶片的振动分析
    5.4 计算结果与讨论
    5.5 本章小结
6 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 本文展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间取得的研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]叶片振动响应的长度分形故障特征提取与诊断[J]. 徐玉秀,王志强,梅元颖.  振动.测试与诊断. 2011(02)
[2]风力机叶片翼型气动特性模型[J]. 何玉林,李海锋,金鑫,李奇敏.  机械科学与技术. 2010(12)
[3]基于ANSYS建模的风力机叶片模态分析及稳定性分析[J]. 赵娜,李军向,李成良.  玻璃钢/复合材料. 2010(06)
[4]风力发电技术浅谈[J]. 李冲,任岩,黄金伟.  农业工程技术(新能源产业). 2010(10)
[5]风力发电系统发展现状分析[J]. 王秀丽.  华电技术. 2010(08)
[6]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[J]. 赵峰,段巍.  机械设计与制造. 2010(08)
[7]风力机叶片动力学响应分析[J]. 傅程,王延荣.  太阳能学报. 2010(07)
[8]水平轴风力机翼型动态失速的数值模拟[J]. 胡丹梅,李佳,闫海津.  中国电机工程学报. 2010(20)
[9]风力发电的可持续发展战略[J]. 郭宝贵,王晓东.  内蒙古石油化工. 2010(08)
[10]国内外风电产业现状及其发展前景[J]. 沈宏,耿超,刘楠,李伟丽,邱军亮.  河南科技学院学报(自然科学版). 2010(01)

硕士论文
[1]1.5MW水平轴风力机叶片结构性能分析[D]. 张慧珍.西华大学 2011
[2]我国风力发电产业三大主要问题的研究[D]. 聂家林.合肥工业大学 2010
[3]风力机结构动力学特性研究[D]. 陈荣盛.西华大学 2009
[4]小型水平轴风力机叶片设计与有限元分析[D]. 宗楠楠.上海交通大学 2009
[5]风力机叶片几何设计与空气动力学仿真[D]. 包飞.大连理工大学 2009
[6]变工况下大型风力机风轮的气动性能预估[D]. 李春辉.兰州理工大学 2008
[7]大型水平轴风力机风轮结构动力分析[D]. 李昆.兰州理工大学 2008
[8]风力发电叶片结构及铺放性能研究[D]. 孙珊霞.武汉理工大学 2007
[9]风力机叶片设计和颤振分析[D]. 刘虎平.西北工业大学 2005
[10]叶片强度分析的随机有限元方法研究[D]. 徐飞.华北电力大学（河北） 2004



本文编号：3653187