大型风力发电机组柔体叶轮动力学分析
风力发电机组的动力学模拟与分析
风力发电机组的动力学模拟与分析近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的开发利用，风力发电作为一种清洁、可持续的能源来源，正逐渐得到广泛关注和应用。
而风力发电机组的动力学模拟与分析则成为了研究者们关注的重点。
首先，我们来思考风力发电机组的工作原理。
风力发电机组利用风能的转化，将风能转化成机械能，进而转化为电能。
但在这个转化过程中，风速的变化、风向的变化、机械部件的损耗等多种因素都会对发电性能产生影响。
因此，如何准确地模拟和分析这些动力学问题，就显得尤为重要。
针对风力发电机组的动力学模拟与分析，研究者们采用了多种方法。
其中，一种常见的方法是利用数值仿真模型，通过计算机模拟风场和结构响应，对发电机组的动态性能进行评估。
此外，还有相当一部分研究者采用实验方法，通过在实验室中建立风力发电机组的物理模型，进行不同工况下的实时观测和测量，以获取相关的数据。
在模拟和分析风力发电机组的动力学过程中，需要考虑的因素非常多。
首先，风力发电机组所受到的风载荷是一个重要的参数。
这不仅包括风速、风向等风场参数的影响，还包括风能的转化效率、风扇叶片的结构设计等因素。
同时，机械部件的动力学特性也需要被考虑进来，例如发电机的转速、转矩等参数。
此外，还需要考虑机械振动对整个系统的影响，以及系统的动态稳定性等。
在动力学模拟与分析过程中，研究者们往往使用计算机辅助工程软件，通过对模型进行离散化处理，求解其动力学方程，从而得到系统的响应。
其中，有限元分析方法是一种常见的数值计算方法。
通过将发电机组的结构进行网格划分，利用有限元法求解结构的固有振动频率、模态形态等信息，可以有效地对系统进行分析和优化。
同时，与此相关的建模软件，例如ANSYS、COMSOL等，也可以提供便捷的仿真分析环境，有助于研究者们开展相关的工作。
除了动力学模拟和分析外，风力发电机组的可靠性与维护也是一个值得重视的问题。
近年来，一些学者对风力发电机组的结构参数进行了系统性的分析与优化，旨在提高其工作可靠性。
风力发电机组的叶轮设计优化与性能分析
风力发电机组的叶轮设计优化与性能分析1. 引言风力发电作为一种可再生能源的重要形式，被广泛应用于电力供应系统。
叶轮作为风力发电机组中的核心部件，直接影响着发电机组的性能和效率。
本文旨在通过对风力发电机组叶轮的设计优化与性能分析，提出一种能够提高发电效率的叶轮设计方案。
2. 风力发电机组的工作原理风力发电机组利用风能将风动能转化为机械能，然后通过发电机将机械能转化为电能。
叶轮作为风力发电机组中的核心部件，承担着捕捉和利用风能的重要任务。
叶轮优化设计的目标是最大化风能的转化效率，提高发电机组的发电量。
3. 叶轮设计优化3.1 叶片数目和形状设计叶片数目和形状直接影响着风力发电机组的功率转化性能。
一般而言，叶片数目越多，转化效率越高。
然而，叶片数目过多会增加制造成本并增加风力发电机组的重量。
因此，需要综合考虑叶片数目和形状的设计，找到一个平衡点。
3.2 叶片长度和宽度设计叶片长度和宽度的设计也是叶轮设计中的重要因素。
叶片长度越长，捕捉风能的面积越大，风力发电机组的转化效率越高。
然而，过长的叶片会增加风力发电机组的叶轮重量，并对叶轮结构造成一定的负荷。
因此，需要对叶片长度和宽度进行优化设计。
3.3 叶片材料选择叶轮受到来自空气流动的巨大压力和弯曲力的影响，因此在叶片材料的选择上需要考虑其强度、轻量化和耐腐蚀性。
目前常用的叶片材料有玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP）等。
在叶片材料的选择中，需要综合考虑材料的力学性能和经济性，以实现叶轮结构的优化设计。
4. 叶轮性能分析4.1 基于流体动力学的模拟分析通过建立风力发电机组的叶轮流体动力学模型，可以对叶轮的流场分布和压力分布进行模拟分析，了解叶轮在风力作用下的性能表现。
这可以为叶轮的优化设计提供有力的依据。
4.2 发电机组的发电量模拟叶轮是风力发电机组中能量转化的关键部件，其性能的优化直接影响发电机组的发电效率。
通过基于叶轮性能和风能资源的数据，可以进行发电量的模拟计算，评估叶轮优化设计的效果。
风力发电机叶片动力学研究与分析
ｃｅ ｓｎ ｌｄ ｒ ｉ ｇ ｌ ｅ ｒ ａ ｉｇ ｂ ａ ｅ ｗｏ ｋ ｎ ｆ ． ｉ
Ｋｅ ｒ ｓ ｌｄ ｆｔ ｅ ｗ ｎ ｕ ｂ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ：ｂ ａ ｅ ｏ ｄ ｔ ｉｅ；ｍｏ ｅ ａ ａｙ ｉ ；ｖ ｂ ａｉ ｎ ｈ ｉ ｒ ｄ ｎ ｓｓ ｉ ｒ ｔ ｌ ｏ
图 １ 叶型弯扭耦合模 型
单 片 转动 位叶 的 惯量： ：ｆ （ Ｙｄｄ － Ｊ ＋ ） ｙ ， ｉ ｆ ｐ ｘ
同理 可求 得单 位 叶片 的势 能为 ：
叶 片主要 振源 之 一 。 因而 对 风力 机 叶片 进行 振 动 稳 定性 分 析 ， 论是 对风 力机 的设计 还是 对风 力机 的运 不 行都 将是 非 常重要 的。
』 ｈ ｑ
Ｌ２ ＝ ０ ｑ
（） １
（） ２
２ 叶片 的运动微分 方程
现采 用 如 图 １ 示 的弹 簧 阻尼 质 量 系统 来 研 究 所
风 机叶 片 的动力学 问题 。
ｙ
由图 １ 以得 到叶型 任意 点 的垂直 位移 为 ： 可
ｈ ＝一ｈ—ｘ Ｏ 所 以单位 叶片 振动 时 的动 能就 为 ：
１
０
： ｉ
～ ｊ０
Ｉ
：
ｍ
走＋ ＿ ２ ，
（） ３
其中：
单 位叶片 质量： Ｊ ｄ ｙ 的 ｍ＝ｆ ｘ ｄ Ｉ ｐ
元分析软件 对风机叶 片模型进行振 动模 态分析 ， 计算 了叶片的固有频率、 阶振 型 图， 各 为避 免叶 片发 生共振 、 提 高叶片使 用寿命提供 了分析 方法。
关键 词 ： 力机 叶 片 ； 态分 析 ； 动 风 模 振
， 文章编号 ：０６—４ １ （ ００ ０ ０ ５ — ２ １０ ４ ４ ２ １ ） ５— ０ １ ０
风力发电机叶片的动力学分析
风力发电机叶片的动力学分析□冯锦飞□顾永强□贾宝华□朱文彬内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古包头014010摘要：旋转是叶片的主要工作方式，叶片轴向力与切向力的大小随叶片的旋转而时刻发生变化，导致重力对叶片每个旋转位置有不同程度的影响。
应用A N S Y S 软件建立旋转状态下叶片的有限元模 型，对其进行动力学分析。
分析结果表明：叶片的最大变形量为0.327 mm ，位于叶尖附近，远小于玻璃钢 叶片的最大弯曲变形要求;叶片的最大应力值为1.04 MPa ，远小于玻璃钢的抗拉强度。
通过分析确认，重 力对风力发电机叶片的整体力学性能影响较小。
关键词:风力发电机叶片动力学分析中图分类号:T H 113.2;T M 315 文献标志码：B文章编号：1000-4998(2019)12-0056-04Abstract ： Rotation is the main working mode of the blade. The axial force and tangential force of the blade are changing with the rotation of the blade, which causes the gravity to have different degrees of influence on each rotating position of the blade. The finite element model of the blade in the rotating state was established by ANSYS software, and the kinetic analysis was carried out. The analysis results show that the maximum deformation of the blade is 0.327 mm, which is located near the tip of the blade, which is much smaller than the maximum bending deformation requirement of the FRP blade. The maximum stress value of the blade is 1.04 MPa, which is much smaller than the tensile strength of FRP. It is confirmed by analysis that gravity has little effect on the overall mechanical properties of the blade of wind turbine.Key W ords ： Wind Turbine Blade Kinetics Analyses1研究背景能源危机席卷全球，环境保护迫在眉睫，新型清洁 能源的发展势在必行。
风力发电机组结构动力学分析
风力发电机组结构动力学分析
重庆大学风力发电技术与装备研究所
风力发电技术及装备研究所
专题内容
•风力发电机组结构动力学特点 •风力发电机组结构动力学模型 •叶片动力学 •塔架动力学 •叶片塔架的耦合运动 •传动链动力学 •线性化与Coleman图
风力发电技术及装备研究所
前言
• 风力发电机组由风轮、传动链、机舱、塔架、 液力系统、控制系统和电力系统组成，是一个 复杂的气弹耦合动力学系统。
风力发电技术及装备研究所
风力发电技术及装备研究所
• Out-of-plane mode shapes:
•
Shape 1 Shape 2 Shape 3 Shape 4 Shape 5
•
------- ------- ------- ------- -------
• Freq (hz) 1.8567 5.4907 12.5598 23.1074 68.9462
– 这里假设叶片的径向变形量相对于横向变形量 很小，可以不予考虑，因此没有对应的动能。
风力发电技术及装备研究所
– 将两个动能之和与叶片动能公式对比
T
1 2
N p1 i p
N p1
mij
j p
ci
t
c j
t
– 可以得到叶片的广义质量为
mij
MTip
R RH 0
B
r i
r
j
r dr
h
vh, t 2
h
2
vh, t
h
风力发电技术及装备研究所
– 求解这个二次方程，可以得到叶片径向变形梯 度为
vh,t 1
h
1
大型风力发电机传动链多柔体动力学建模与仿真分析
62
[1-2]
机
械
工
程
学
报
第 50 卷第 1 期期
[15]
理想的选择 。 剧烈的振动是风电机组停机的一个 [3] 主要原因 ，而大多数振动直接或间接源自传动链 系统，因此，有必要在设计过程中利用多体系统仿 真技术进行风力发电机传动链危险共振甄别，指导 后期改进设计。 在欧洲和美国等风力发电技术发达的国家，风 力发电机多体系统仿真研究已经进入比较成熟的阶 [4] 段。PEETERS 等 发展了一种多体系统建模技术， 描述风力发电机传动链复杂的动态行为，在非准静 态设计方面获得了传动链精确的载荷预测。 [5] TODOROV 等 通过建立的风力发电机 10 体 8 自由 度多体动力学模型， 获得了系统的固有频率、 模态、 扭转振荡的时域数据和幅频特性，寻找到高瞬间负 载的部件，不过该文仅考虑了扭振模型，具有一定 [6] 的局限性。OYAGUE 使用先进的多体系统仿真软 件对 750 kW 风力发电机齿轮箱进了建模方案探索 和分析，通过理论、仿真和测试寻找到最优化多体 系统建模方案，对风力发电机齿轮箱的前期设计提 [7] 供了重要的参考依据。VANHOLLEBEKE 等 通过 结合风力发电机齿轮箱多柔体动力学模型和声学模 型来计算其声学响应，主要讨论了柔性构件网格收 [8-9] HELSEN 等 进行了风力发 敛和模态行为的影响。 电机齿轮箱不同复杂度的多体系统建模和模态分 析，通过先进的精确建模和仿真技术，获得了风力 发电机齿轮箱较准确地的模态行为。美国国家可再 生能源实验室领导的研究小组通过三管齐下 ( 多体 [10] 动力学模型、全功率测试台和风场测试)的方法 对提高风力发电机齿轮箱的稳定性进行了深入研 究， 仿真结果与测试结果获得了较好的吻合。 目前， 国内针对风力发电机精确建模与正常运转下的仿真 分析研究还基本处于空白阶段，更多的是致力于数 [11-12] 值模型和简化模型层次的仿真分析 。模型的复 杂度对模型的扭转行为影响不大，然而高复杂度的 [8] 模型能够提供更多内部的载荷信息 ，因此简化模 型对分析结果的精确度的影响是显然的，有必要将 [13] 具有旋转自由度的简单的振动吸收系统 发展为 具有柔性体、柔性壳体和柔性支撑的高复杂度仿真 [14] 模型 。本文通过三种复杂度级别建模方案对比， 获得多柔体精确建模方案，并基于该多柔体模型提 出一种风力发电机传动链时 / 频域综合共振甄别方 法，剔除复杂系统中的干涉因素，获得其危险共振 点和响应零部件。研究方法和结果具有一定的理论 意义和工程实用价值。
大型风力发电机组动力学分析方法
式中Ｍ Ｆ Ｋ Ｆ是对角阵。如果塔架结构振动的模态阻尼比为 ｑ Ｐ 那么塔架与风轮整 Ｎ和 Ｎ ， Ｐ 二，
体模态藕合的模态动方程应为：
， ， Ｍ、 Ｘ Ｃ ， Ｋ 二 ＝ Ｘ＇ Ｆ二 二 。＋ ＮＸ二 ＋ Ｎ Ｘ 二 ．， ， Ｆ ， Ｆ ， Ｆ Ｐ
（） ５
式中， Ｎ ＝ ｎ （ ｍ ＫＦ） ＣＦ ２ ｐ ｒ Ｎ １ ｒ Ｎ Ｍ ｐ· Ｖ ｎ Ｆ ＝
２ 风轮叶片 Ａ 棋右报动方程
根据动力学分析的 要求选取Ｎ 个模态与塔架模态进行综合。设风轮叶片前Ｎ 阶固有 ｉ ｐ Ｆ 振动频率下的 振型矩阵为 ＳＰ Ｂ ：
Ｖ１ －Ｓ，ｉ ， Ｐ ［ ） １ ｆ ， ｘ （） ７
Ｍ 凳。＋ Ｎ Ｘ － Ｈ Ｆ ＭＦ Ｎ Ｆ Ｐ Ｋ Ｎ Ｘ 二 Ｆ Ｆ Ｐ Ｐ Ｎ （ ４ ）
Ｉ１ ０ －１
中 共 清 沽 她 派扶 术论 坛
ＵＳ ． 一Ｃｈ 二 Ｃｌ二 Ｅｎ ｒ ｙ ｃ ｎ ｌ ｇ Ｆ ｒ ｍ ｉ ｅ ｅ ｇ Ｔ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｕ ｅ
一 一
艺 川 万艺 ｋ－Ｉ ，２
｛ 二 二［ ］ ｝ＰＮ．Ｏ，） ［ ］ ｝Ｇ ｛ Ｋ｛ Ｓ Ｐ ， ＋ＰＸ＋ Ｘ ｙ（ Ｍ Ｘ ． 二［， ， ｒ９ ］） ） Ｃ
ｉ ｔ － Ｍ Ｐ ［ ｛ ｓ＋ Ｐ］， ［ ，ＸｊＩ ， ， ［ ｓＸ Ｐ Ｎ ．Ｓ Ｗ ） Ｇｎ Ｐ Ｋ］ ， Ｎ ｒ ｔ ） ＋ ｛ ） ｛Ｘ．］ 二＋ Ｘａ］ 二ＣＳ ［ ＰＮ ｝［ Ｐ一Ｘ｝Ｏｖ Ｃ ｝Ｘ Ｋ ｛ ｝ ｛ ， ｉ ｛ Ｐ ］ ＂＋ Ｘａ 二Ｓ ｏ ［ ．ｉ ［ ＰＨ ｝Ｉ， Ｃ ．ＸＩ Ｋ ＳＸ Ｉ ， Ｘ ］ ｛ Ｎ
１ 动力学综合建模方法
风轮和塔架祸合振动系统是由多个结构体装配而成，要在同一惯性坐标中独立地描述 结构的运动是非常困 难的，也是不直观的，因此采用分别建模方法建立风轮与塔架藕合系 统模态综合分析模型。首先，分别建立孤立叶片、风轮整体模态和塔架系统动力学模型， 最后应用模态综合技术建立风轮与塔架祸合系统模态综合分析模型。 孤立叶片振动分析模型考虑叶片挥舞、摆振和扭转三个运动及其结构和惯性祸合，考 虑桨叶截面三心的不重合性及叶片结构的几何非线性，导出叶片挥、摆、扭全藕合振动非 线性偏微分方程。 从孤立叶片振动模态中截取所关心的模态，把风轮与塔架连接点风轮毅中心的运动作 为风轮叶片的牵连运动，在固定坐标系中建立包括风轮毅运动的风轮整体模态振动分析模 型，从而导出含风轮毅运动和叶片模态振动的周期系数振动方程。因只有风轮叶片的集合
大型风力发电机组动力学分析方法
大型风力发电机组动力学分析方法大型风力发电机组是一种利用气流驱动涡轮机旋转产生机械能，再通过发电机转换成电能的装置。
在风力发电机组中，涡轮机是主要的动力转换元件，其性能的好坏直接影响到整个系统的发电效率和可靠性。
因此，进行大型风力发电机组动力学分析具有重要的理论和实际意义。
首先，理论分析是大型风力发电机组动力学分析的基础和起点。
通过对涡轮机的运动原理和性能特点进行深入研究，可以建立涡轮机的数学模型和动力学方程。
在理论分析中，涡轮机的能量转换、风能利用率和发电效率等关键指标可以通过数学推导和计算求解来获得。
此外，还可以利用模态分析方法，对涡轮机的振动特性和稳定性进行研究。
理论分析方法具有计算量小、精度高的优点，但也存在一定的简化和假设，无法完全反映实际情况。
其次，仿真模拟是大型风力发电机组动力学分析的重要手段。
借助计算机软件和数值模拟技术，可以对涡轮机和整个系统的动态响应进行仿真模拟。
通过建立系统的多体动力学模型和计算流体力学模型，可以对涡轮机的运行状态、载荷特性和振动响应进行准确的预测和分析。
在仿真模拟中，可以考虑更多的因素，如风速、风向、地理环境等，从而更加真实地模拟涡轮机的运行情况。
仿真模拟方法具有灵活性强、可调参数多的优点，但也需要相应的计算资源和软件支持。
最后，实验验证是大型风力发电机组动力学分析的直接手段。
通过对实际风力发电机组的测试和监测，可以获取系统的运行数据和振动信号。
利用这些数据，可以验证理论分析和仿真模拟的结果，并对其进行修正和改进。
此外，实验验证还可以发现一些模型或方法的局限性和不足之处，从而提出相应的改进和优化建议。
实验验证方法具有直观性强、实用性高的特点，但也需要大量的实际工作和测试。
总之，大型风力发电机组动力学分析方法涉及理论分析、仿真模拟和实验验证三个方面，各自有着不同的优缺点和适用范围。
在实际应用中，可以根据具体情况选择合适的方法，以实现对大型风力发电机组运行性能和动力学特性的全面认识和深入理解。
风力机旋转叶片的刚柔耦合动力学响应特性分析
风力机旋转叶片的刚柔耦合动力学响应特性分析赵荣珍;芦颉;苏利营【摘要】为获得风力机风轮在时变载荷作用下的动力学响应规律,在将轮毂假设为刚性圆盘和叶片假设为柔性悬臂梁的基础上,考虑剪切应变对叶片引起的附加位移、叶片的旋转运动与弹性变形间的耦合及离心力的作用,运用Hamilton原理建立了旋转叶片子系统的非线性动力学模型.以河西地区某风场1.2MW风电机组为例,采用有限元法和Newmark数值积分法对其叶片在时变载荷作用下的动态响应进行了计算.结果表明:考虑剪切变形影响时得到的叶片振动幅值比不考虑剪切变形影响时会平均增大约7.5％;在考虑叶片的旋转运动与弹性变形间的耦合作用时,离心力对叶片振动动态特性的影响将会被弱化.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2016(042)006【总页数】7页(P36-42)【关键词】风力机;叶片;动态响应;刚柔耦合;剪切变形【作者】赵荣珍;芦颉;苏利营【作者单位】兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TH113叶片是风电机组的最关键部件,它的结构动态性能优劣将直接影响到整机性能.在叶片绕风轮轴作大范围空间运动的过程中,叶片的运动与其弹性变形间[1]、弹性变形与气动力间的耦合,将使叶片的非线性振动愈加严重[2]，并且这种非线性振动会随着风电机组向大型化和柔性化发展变得更加严重和复杂.因此,研究风电机组叶片在时变载荷作用下的动态响应，具有重要的理论意义及工程应用价值[3-4].风力机叶片展向长、弦向短,因此目前多数风力机叶片的结构动力学分析及优化设计研究都采用欧拉梁模型[5]进行,计算方法多采用牛顿法从非线性应变位移关系式导出叶片的挥舞、摆振的全耦合非线性偏微分方程,然后进行计算求解[6-7].这种方法计算量大,而且存在着对高阶情况很难求解的缺陷.而欧拉梁模型假设变形前后垂直于中面的截面仍然保持垂直关系,忽略了横向剪切变形的影响.欧拉梁模型虽然能够在一定程度上反映叶片的整体变形性能,但是为了获得更加精确的变形,应该考虑横向剪切变形的影响.基于此,本文在考虑剪切变形引起的附加位移、叶片的旋转运动与弹性变形间的耦合以及离心力影响作用的基础上,拟采用刚柔耦合动力学建模方法,运用Hamilton 原理建立旋转叶片子系统的动力学模型.应用所建立的模型,对河西地区某风场1.2 MW风电机组工作时叶片的动态响应进行了计算,探讨剪切变形引起的附加位移、叶片的旋转运动与弹性变形的耦合及离心力对叶片动态特性的影响.考虑刚柔耦合效应的柔性多体系统动力学称之为刚柔耦合动力学.该研究方向主要探讨柔性体的空间旋转运动与其弹性变形之间的耦合关系,以及这种耦合所导致的动力学效应[8].在刚柔耦合系统中对运动的描述多采用相对描述,即分别建立各物体的参考系,将运动分解为整体运动和变形运动两部分,然后用相对运动变量建立系统的动力学方程.方程的建立主要有两种方法:牛顿-欧拉法分别采用动量定理和动量矩定理描述柔性体的平动和转动,且都包含了柔性体的变形运动；而Hamilton原理则是用动能、势能的变分项代替弹性力和惯性力,其优点是计算过程只与纯粹的标量有关,因此具有计算简便的优点[9].Hamilton原理是一个积分变分原理,其数学表达式为式中：T为体系的总动能；U为体系的位能；W为作用于体系上的非保守力所做的功；δ为指定时间区间内所取的变分.针对叶片展弦比大的特点,研究中采用将叶片简化为悬臂梁,轮毂等效为刚性圆盘的简化方法,建立了如图1所示的运动模型.图2为叶片截面翼型图.图1中o1x1y1z1是以风轮为中心的风轮轴坐标系,假设它固定不动,o1z1为风轮转轴,oxyz为固结在叶根处绕风轮转轴转动的叶片相对坐标系.P为未变形时叶片上任意一点,柔性叶片在旋转过程中发生了变形,变形后P点到达P′点,其中u为P点在旋转平面内的横向位移,v为P点在垂直于旋转平面的横向位移.图2中o为叶片截面形心,ζ和η为形心主惯性轴,θb为截面扭转角,(°).旋转叶片子系统的参数表示如下：e为轮毂半径,m；J为轮毂的转动惯量,kg·m2；L为叶片长度,m；ρ为密度,kg/m3；E为弹性模量；G为剪切模量,Pa；I为截面惯性矩；θ为叶片旋转运动的角位移,(°).P′点关于坐标系o1x1y1z1的坐标阵可表达为考虑剪切变形的影响,则P点在摆振和挥舞两方向的横向位移可表示为式中:ub和vb为弯曲变形引起的横向位移；us和vs为剪切变形引起的附加横向位移.截面的抗弯刚度按下式计算[10]：式中：IF为截面对ζ轴的惯性矩；IFc为截面对η轴的惯性矩.3.1 系统动能风力机叶片固定在刚性轮毂上,并且随轮毂以一定角速度旋转,旋转叶片子系统的动能主要包括轮毂的动能和叶片的动能两部分：式中：m为单位长度叶片的质量,kg/m.3.2 系统势能叶片旋转过程中系统的势能主要有弯曲应变能U1、剪切应变能U2、重力势能U3以及旋转过程中由离心力产生的离心力势能U4四部分组成:弯曲应变能和剪切应变能的计算公式如下：式中：A为截面积,m2；k为校正因子.叶片所受的重力势能随着转动角θ的不同而不同.因此在叶片坐标系中,如不考虑主轴倾角和叶片锥角的影响,则系统的重力势能为式中：g为重力加速度,m/s2.叶片在旋转过程中产生的离心力不仅在轴向上有能量变化,而且在旋转平面内也有能量变化,其方向总是沿着叶片向外,离心力势能按下式计算：式中：Px为叶片任意截面的轴向离心力ξ.3.3 外力所做虚功机组运行过程中,作用在叶片上的空气动力是整个系统的动力源.考虑失速和动态入流的影响,采用修正的叶素动量理论求解气动载荷[11].稳态工况下,单位长度叶片在弦线方向和其垂直方向上的气动力可分别表示为如下形式：式中：CL为截面升力系数；CD为截面阻力系数；ρa为空气密度,kg/m3；va为来流速度,m/s；C为截面弦长,m；φ为来流角,(°).叶片在摆振和挥舞两个方向的气动力如下：以风轮旋转平面作为参照,叶片的摆振力矩和挥舞力矩分别为考虑阻尼力的影响,非保守力所做的虚功为式中为阻尼系数.3.4 动力学方程的建立分别计算动能和势能关于ub、us、vb、vs和θ的变分并代入式(1),则建立的旋转叶片系统的动力学方程组为4.1 动力学方程的离散化处理方法由于式(19～23)动力学方程是一组非线性、时变和强耦合的偏微分-积分方程组,通常不易得到精确的解析解.因此,采用有限元方法将叶片离散成有限自由度作为近似求解分析模型.在建模过程中,由于考虑了剪切应变的影响,因此采用修正的欧拉梁单元进行离散.设叶片某一单元长度为l,单位长度的质量为m,单元节点位移参数分别为ueb、ues、veb和ves,单元形函数矩阵为Nb和Ns[12].单元内任一点在摆振方向和挥舞方向的位移可以表示为将式(24,25)代入式(19～23)的动力学方程组中,可得旋转叶片的离散动力学方程:上式中的具体元素均由式(19～25)推导得出,在后续的求解过程中将会说明,此处限于篇幅不再赘述.4.2 动力学方程的求解过程风力机叶片在旋转过程中绕风轮轴作大范围旋转运动,其转动角速度规律是已知的不用求解,具体形式将在算例分析部分详细给出.故忽略式(26)中的第一行,则叶片在非惯性系下的动力学方程为叶片静止时,系统的质量矩阵和刚度矩阵分别为叶片的质量矩阵和刚度矩阵,方程(27)中的各元素为旋转过程中考虑叶片的旋转运动与弹性变形耦合引起的动力刚度矩阵和离心力引起的几何刚度矩阵对系统刚度矩阵的影响,系统的总刚度矩阵为以上方程中其余项与叶片静止时相同.计入横向剪切变形时,考虑截面转动效应对质量矩阵的影响,以及剪切应变对刚度矩阵的影响,系统的质量矩阵和刚度矩阵分别描述为(阻尼矩阵与静止时相同)式中采用Newmark逐步积分法对式(27)进行数值求解.首先给定初始时刻叶片的位移、速度和加速度,即和求出在第一个时间步长结束时叶片的位移、速度和加速度和叶片在时变载荷作用下的动态响应计算步骤设置如下：1) 给定初始值.本研究中设叶片是从静止状态下旋转的,因此取和均为0.2) 计算叶片的质量矩阵M,阻尼矩阵C,刚度矩阵K.3) 选取时间步长t和参数α、β.本研究选取时间步长为0.05 s,参数α=0.25,β=0.5.4) 对于每一个时间步长计算作用在叶片上的等效载荷Qi,其中i表示第i个时间步长.5) 由式(39～41)计算第一个时间步长结束时叶片的位移、速度和加速度.6) 将上述步骤循环,得到所有时刻叶片的位移.以河西地区某风场1.2 MW水平轴风电机组叶轮子系统为例,应用所建立的动力学模型对其固有频率和动态响应进行了求解分析.该机组叶轮参数如下：轮毂半径为2 m,叶片长为29 m;其材料为玻璃钢复合材料，剪切模量G为5.5 GPa,其他几何数据及质量和刚度分布见表1.其中,挥舞刚度与摆振刚度是叶片的固有属性,其计算公式对应于式(33)中的Ky和Kz.5.1 叶片的固有频率特性考虑剪切应变、叶片大范围旋转运动与自身弹性变形间的耦合以及离心力对叶片固有频率的影响,在式(27)中忽略结构阻尼和外力的影响作用,计算风轮转速为12r/min时,叶片静止、旋转及考虑剪切应变时的弯曲固有频率,计算结果见表2.从表2可见,对于叶片的6种不同振动状态,无论摆振还是挥舞模态,叶片旋转时的固有频率都大于静止时的固有频率,说明离心力作用使叶片固有频率增大；而横向剪切应变下的叶片固有频率却比静止时的要小,由此表明,受截面转动效应的影响,叶片的质量矩阵增大将导致其固有频率减小.进一步对比可看出,挥舞模态的影响较摆振模态显著,一阶挥舞模态的频率增量为4.8%,摆振模态频率增量为1.17%,这是由于叶片大范围旋转运动与弹性变形之间的耦合削弱了离心力作用对固有频率的影响,导致摆振刚度弱化.5.2 叶片动态响应的计算结果假定叶片由静止状态开始启动,t1时刻开始以恒定角速度ω转动,t2时刻开始制动,制动时间为t3,叶片转动角速度规律取与文献[14]相同,即本研究取t1=30 s,t2=90 s,t3=(t2+30)s.研究风电机组在湍流强度为16.1%、平均风速为12 m/s的湍流风场下启动、正常运转和停车等工况下叶片的动态响应.求解式(27)的动力学方程,获得叶尖挥舞方向和摆振方向的位移,结果如图3和图4所示.由图3和图4对比可知,启动过程中,无论是挥舞还是摆振叶尖振动幅值都较大,而正常运转时挥舞方向的振动明显大于摆振方向.若不考虑剪切变形引起的附加位移,则计算结果与GH bladed软件模拟结果基本一致,说明本研究所建立的模型是准确可靠的.图5和图6显示了叶片旋转运动与弹性变形的耦合和离心力、剪切变形引起的附加位移对叶尖位移的影响,由于叶片在挥舞方向的变形比摆振方向大很多,因此仅以挥舞方向振动为例进行说明.由图3和图5对比可知,虽然大范围运动与弹性变形的耦合效应使得叶片的变形增大,但是由于离心力的作用使得叶片的变形减小,二者综合导致叶片的整体变形减小.对比图3和图6可以看出,剪切变形引起的叶片附加位移对叶尖变形影响较大,在整个仿真过程中,叶尖振动幅值平均增大了7.5%.由此可见,剪切变形引起的附加位移对旋转叶片子系统的动态响应有较大的影响,在计算过程中应予以充分考虑.本文计入剪切变形引起的附加位移的影响,同时考虑叶片大范围旋转运动与自身弹性变形间的耦合及离心力的影响,运用Hamilton原理建立旋转叶片子系统的刚柔耦合非线性动力学方程,采用有限元法和Newmark数值积分法,对旋转叶片在时变载荷作用下的动态响应进行求解分析.分析表明,在旋转过程中,由于叶片的旋转运动与弹性变形间的耦合作用,离心力对叶片振动动态特性的影响被弱化；考虑剪切变形影响时得到的叶片振动幅值比不考虑剪切变形影响时平均增大了7.5%.由此可见,剪切变形引起的叶片附加位移、叶片大范围旋转运动与弹性变形的耦合及离心力作用都对叶片的结构响应有较大的影响,为了更精确地预测叶片的变形和载荷,在仿真过程中应予以充分考虑.分析过程还表明,运用柔性多体系统动力学理论中的刚柔耦合动力学建模方法，以及Hamilton原理分析风力机叶片的动力学问题的方法是可行的.【相关文献】[1] LI D Y,YE Z Q,CHEN Y.Multi-body dynamics numerical analysis of rotating blade of horizontal axis wind turbine [J].Acta Energiae Solaris Sinica,2005,26(4):473-481.[2] 杨从新,李昆,季炜.风力机叶片断面的几何参数分析 [J].兰州理工大学学报,2008,34(4):46-49.[3] HANSEN M H.Aeroelastic instability problems for wind turbines [J].WindEnergy,2007,10(6):551-577.[4] LARSEN J W,NIELSEN S R K.Non-linear dynamics of wind turbine wings [J].International Journal of Non-Linear Mechanics,2006,41(5):629-643.[5] 杨从新,张强.考虑静气弹特性的风力机叶片优化设计 [J].兰州理工大学学报,2014,40(1):45-49.[6] YOUNSI R,EI-BATANONY I,TRISTCH J B,et al.Dynamic study of a wind turbine blade with horizontal axis [J].European Journal of Mechanics-A/Solids,2001,20(2):241-252. [7] LEE J W,LEE J S,HAN J H,et al.Aeroelastic analysis of wind turbine blades based on modified strip theory [J].Journal of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics,2012,110:62-69.[8] 洪嘉振,刘铸永.刚柔耦合动力学的建模方法 [J].上海交通大学学报,2009,42(11):1922-1926.[9] 陆佑方.柔性多体系统动力学 [M].北京:高等教育出版社,1996.[10] 李本立,宋宪耕,贺德馨.风力机结构动力学 [M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.[11] LANZAFAME R,MESSINA M.Fluid dynamics wind turbine design:criticalanalysis,optimization and application of BEM theory [J].RenewableEnergy,2007,32(14):2291-2305.[12] 王勖成.有限单元法 [M].北京; 清华大学出版社,2003.[13] 刘雄,李钢强,陈严,等.水平轴风力机叶片动态响应分析 [J].机械工程学报,2010,46(12):128-134.[14] 信伟平.风力机旋转叶片动力特性及响应分析 [D].汕头:汕头大学,2005.。
风力发电机组结构动力学特性分析
风力发电机组结构动力学特性分析引言随着环保意识的增强和可再生能源的重要性日益凸显，风力发电作为一种清洁、绿色的发电方式受到了广泛关注。
而要确保风力发电机组的安全、高效运行，深入了解其结构动力学特性势在必行。
本文将针对风力发电机组的动力学特性进行分析，以期为风力发电机组的设计和运行提供一定的参考。
一、风力发电机组的结构组成风力发电机组是由风轮、机舱、塔架和基础等部分组成的。
其中，风轮是核心部件，它承载着风力的作用，将其转化为旋转能量。
机舱则包含了发电机、变速箱、控制系统等关键设备。
塔架则起到支撑风轮和机舱的作用，承担着巨大的荷载。
基础则用于稳固风力发电机组，以防止其在风力作用下倾覆。
二、风力发电机组的运行原理风力发电机组的运行原理是通过风轮叶片受到风力的作用，产生转动，驱动发电机旋转，从而产生电能。
具体而言，当风轮叶片受到风力作用时，会产生扭矩，通过转轴传递到发电机上，使其转动。
发电机转动时，通过磁场感应原理，将机械能转换为电能，并输出给电网使用。
三、风力发电机组的结构动力学特性1. 风力作用的影响风力是影响风力发电机组结构动力学特性的主要因素之一。
风力的大小和方向都会对风力发电机组产生影响。
当风速增大时，风力对风轮的作用力也会增大，从而导致风轮和整个机组产生振动。
此外，风向的变化也会带来风轮的方向改变，从而改变了机组的运行状态。
因此，在设计和运行风力发电机组时，需要充分考虑风力的影响。
2. 结构的自然频率风力发电机组的结构自然频率是指在没有外界作用下，结构自身以特定频率振动的能力。
结构自然频率取决于结构的刚度和质量分布情况。
当外界作用频率接近或等于结构的自然频率时，会导致共振现象的发生，从而对风力发电机组产生不利影响。
因此，在设计风力发电机组时需要避免共振现象的发生，提高结构的自然频率。
3. 振动与疲劳破坏风力发电机组的振动是其结构动力学特性中一个重要的方面。
振动不仅会给机组带来不稳定性，还会引发疲劳破坏。
风力发电机械系统的动力学分析与优化设计
风力发电机械系统的动力学分析与优化设计引言：随着对可再生能源需求的增加，风力发电作为一种清洁且可持续的能源形式，在全球范围内得到了广泛应用。
风力发电机械系统是风力发电装置的核心组成部分，其性能对风力发电装置的发电效率和运行稳定性具有重要影响。
因此，对风力发电机械系统进行动力学分析与优化设计具有重要意义。
一、风力发电机械系统的组成和工作原理风力发电机械系统由风机轮、传动装置、发电机等组成。
工作时，风力推动风机轮旋转，传动装置将风机轮的运动转化为发电机的旋转运动，进而产生电能。
二、风力发电机械系统的动力学分析1. 风机轮的动力学特性分析对风机轮进行动力学分析能够揭示其受力情况和运动特性，为系统的优化设计提供理论依据。
通过对风机轮的质量、转动惯量、风挡面积等参数进行测量和计算，可以得到其转速、力矩和功率等动力学指标。
2. 传动装置的动力学特性分析传动装置是将风机轮的运动传递给发电机的关键组件。
对传动装置进行动力学分析，可以评估其传动效率、承载能力和运动平稳性。
同时，还需要考虑传动链的摩擦、松紧度等因素对系统性能的影响。
3. 发电机的动力学特性分析发电机是将机械能转化为电能的核心设备。
对发电机的动力学特性进行分析，包括输出电压和电流的稳定性、系统响应速度等指标。
通过优化发电机的设计参数，可以提高系统的发电效率和稳定性。
三、风力发电机械系统的优化设计为了提高风力发电机械系统的性能，可以从以下几个方面进行优化设计。
1. 风机轮的优化设计通过改变风机轮的叶片形状、数量和材料等参数，可以提高其捕捉风能的能力和运行稳定性。
同时，还可以采用轻质材料减小风机轮的质量，提高系统的响应速度。
2. 传动装置的优化设计通过选用高效传动机构和减小传动链的摩擦损失，可以提高传动装置的传能效率。
此外，还可以考虑采用多级传动和变速传动等技术手段，以适应不同风速的工况需求。
3. 发电机的优化设计通过更换高效率的发电机和改变磁场结构，可以提高发电机的输出功率和电能转换效率。
风力发电机组动力学模拟分析
风力发电机组动力学模拟分析引言：随着环境污染和能源危机的日益加剧，人们对可再生能源的关注逐渐增加。
风力发电作为一种成熟且广泛应用的可再生能源形式，受到了越来越多的关注和重视。
风力发电机组作为风力发电系统的核心部件，在能量转换过程中发挥着至关重要的作用。
本文将基于风力发电机组的动力学模拟分析，探讨其工作原理、优化设计和性能评估等方面的内容。
动力学模拟分析方法：动力学模拟分析是一种基于计算机仿真的方法，通过建立数学模型来模拟和分析风力发电机组在运行过程中的动态特性。
首先，我们需要了解风力发电机组的工作原理和组成结构，从而建立合理的模型。
其次，我们通过数学建模和仿真计算，考虑各种因素对风力发电机组的影响，例如风速、风向、气温、湿度、机组转速等。
最后，通过对模型的仿真计算和参数调整，评估风力发电机组的性能和工作状态。
风力发电机组工作原理：风力发电机组主要由风轮、主轴、发电机和控制系统等部分组成。
当气流通过风轮的叶片时，受到叶片的推力作用而产生转动力矩，推动主轴旋转。
主轴通过转子传递旋转力矩给发电机，发电机将机械能转换为电能，并经过控制系统的调节输出到电网中。
风力发电机组的最终目标是在各种不同气象条件下实现最大的发电效率。
动力学模拟分析的优化设计：通过动力学模拟分析，可以对风力发电机组的设计进行优化。
首先，可以对叶片的形状和材料进行优化，以提高其捕捉风能的效果。
其次，可以通过调整主轴的设计参数，如长度和直径等，来提高传动效率和减小功率损耗。
此外，也可以通过优化发电机的设计参数，如磁场强度和线圈匝数等，来提高发电效率。
最后，控制系统的参数优化可以使风力发电机组在不同工作条件下实现更加稳定和高效的运行。
风力发电机组性能评估：通过动力学模拟分析，我们可以对风力发电机组的性能进行评估。
主要包括以下几个方面：1. 发电能力评估：在不同的风速条件下，通过模拟计算输出功率和转速，评估该机组在实际工作环境下的发电能力。
2. 转矩特性评估：通过模拟计算得到不同转速下的输出转矩曲线，评估风力发电机组在运行过程中的稳定性和可靠性。
大型风电机组柔性叶片的结构优化设计方法研究
大型风电机组柔性叶片的结构优化设计方法研究大型风电机组柔性叶片的结构优化设计方法研究摘要：随着对可再生能源的需求不断增加，风能作为一种清洁且无限的能源来源受到了广泛关注。
大型风电机组作为风能利用的主要设备，其性能优化对提高发电效率和降低成本具有重要意义。
柔性叶片作为大型风电机组的关键组件之一，其结构设计对风能转化效率具有重要影响。
本文研究了大型风电机组柔性叶片的结构优化设计方法，以提高其性能。
1.引言随着对环境保护和可持续发展意识的提高，人们对可再生能源的需求日益增长。
风能作为一种清洁、可再生且广泛分布的能源资源，被广泛用于发电和替代传统能源。
大型风电机组作为利用风能的主要设备，其转子叶片的结构设计对风能转化效率具有重要影响。
传统的大型风电机组叶片一般采用刚性材料制成，但随着大型风电机组规模的不断增大，刚性叶片在风力作用下会产生较大的应力，容易导致断裂和破损。
因此，设计柔性叶片成为提高大型风电机组性能的重要途径之一。
2.柔性叶片的特点柔性叶片与传统刚性叶片相比具有以下特点：首先，柔性叶片能够在风力作用下产生弯曲，并与风的速度和方向相互适应，减小了应力集中和振动问题；其次，柔性叶片更容易加工和维修，降低了制造成本和维护难度；最后，柔性叶片相比刚性叶片更具自适应能力，能够根据风速和风向的变化进行优化调整，提高风能转化效率。
3.柔性叶片结构优化方法针对大型风电机组柔性叶片的结构优化设计，可以采用以下方法：首先，通过数值模拟和实验测试获取大型风电机组工作条件下的叶片受力情况，了解风力作用下叶片的变形情况和应力分布特点；其次，应用有限元方法，建立柔性叶片的数学模型，并通过优化算法进行结构参数优化设计，以减小叶片在风力作用下的应力集中问题；最后，根据优化结果，进行柔性叶片的制造和实际测试，验证优化设计的有效性。
4.结构优化设计案例分析本文以某大型风电机组为例进行了结构优化设计。
首先，利用CFD软件对大气流场进行模拟，获得了叶片所处实际工况下的风速和风向。
大型风力发电机齿轮箱全柔体动力学建模与仿真分析
过花键连接，其余各轴通过齿轮副传递作用力。最
终将作用力输出给联轴器。
式中，ｇ——重力加速度矢量。则重力正表示为：
万方数据
６期
杜静等：大型风力发电机齿轮箱全柔体动力学建模与仿真分析
１４３７
式中，咖——模态向量矩阵，中＝［咖。，咖：，…，咖。】，
Ⅳ为模态向量数，通常Ⅳ远小于物体的自由度数； ｑ．＝ｇ。＠——模态坐标。对式（１２）求一阶导数，便 可求的Ｐ点的速度向量：
后曲Ｊ
式中，ｓ一¨——轴承内外圈的相对位移，Ｓ吣．。＝
ｌ
Ｉ｝
｜ Ｉ Ｊ ｌ。 ｜ ¨ ｌ ｌ ｌ’ ， ｝ 、。１ ｜ ＼
ｌ
ｌｘ，Ｙ。彳。０。Ｐ，。Ｐ，ｌ｜ｌＩ风幽。——轴承所受力㈤，
ＦＢ。ｄｙ＇。＝ＩＦ；。Ｆ，。Ｆｄ Ｍ，。鸩，Ｍ。１１；Ｋ“。咖——轴
承刚度矩阵；Ｓ吣，，——轴承内外圈的相对位移。 由于轴承的力学特性是轴承６个方向不同自 由度之间的相互耦合，所以轴承的刚度矩阵中非对
ｚ ｚ’
坐标作为广义坐标来减缩系统的自由度，降低求解
规模阳］。
ＦＥＭＢＳ模块作为有限元分析软件和ＳＩＭＰＡＣＫ 软件之间的接口，此模块生成了柔性体动力学仿真 所需要的参数，有限元分析软件用来分析柔性体的 应力、应变及模态振型等参数，最终通过此接口在
ＳＩＭＰＡＣＫ中生成完整的柔性体模型ｎ引。 在齿轮箱全柔性体模型中轴承、齿轮、花键与 轴之间的力和力矩通过弹簧阻尼系统来传递，本文
（５）
Ｅ＝圭Ｊ：∥’勘ｄｙ２圭姜ｍｉ＂；ｑ＋∞ｊｔ∞ｔ
＝告Ｐ膨（ｆ）亭
１．２齿轮箱动力学模型的建立 对齿轮箱动力学模型的仿真要求所建立的 模型能准确反映出齿轮箱真实的动力学特性，
Ｊａｎ
式中，ｒｎ。——节点ｉ的模态质量；Ｐ——物体的密 度；Ｖ——物体的体积；Ｉｉ——物体的转动惯量； Ｍ（手）——质量矩阵，为三阶方阵，其矩阵形式可表
大型风力发电机组动力学分析方法
大型风力发电机组动力学分析方法动力学分析是对大型风力发电机组运动和力学性能的研究，旨在优化发电机组的设计和运行。
本文将介绍几种常用的大型风力发电机组动力学分析方法。
1.系统模型建立动力学分析的第一步是建立风力发电机组的数学模型。
该模型包括力平衡方程组、速度方程组和位移方程组。
力平衡方程组反映了发电机组的受力情况，速度方程组描述了发电机组各个部件的速度变化，位移方程组描述了发电机组各个部件的位移变化。
这些方程可以通过应用牛顿力学原理、杆件理论和控制理论等方法得到。
2.风载特性模型风力是驱动发电机组旋转的主要力量。
为了准确描述风载特性，需要建立风速-扭矩-角速度曲线。
这可以通过实验和数值仿真的方法得到。
实验可以利用风洞或实际风场对发电机组进行测试，得到实测数据。
数值仿真可以通过计算流体力学模拟风在风轮上的作用，从而得到扭矩-角速度曲线。
3.控制系统建立风力发电机组需要通过控制系统来保持稳定运行。
控制系统可以包括风向控制、转速控制和功率控制等。
建立控制系统的数学模型，并选择合适的控制策略是动力学分析的重要一步。
在建立了风力发电机组的系统模型和控制系统之后，可以利用以下方法进行动力学分析。
-静态分析：静态分析是指分析发电机组在特定工况下的力学性能。
通过求解得到的力平衡方程组，得到发电机组各个部件的受力情况、位移情况和速度情况。
-动态分析：动态分析是指分析发电机组在不同工况下的力学性能。
通过建立时间域或频域的动力学方程组，可以得到发电机组的时间响应或频率响应。
这可以用于分析发电机组在不同气候条件下的动态性能。
-稳态分析：稳态分析是指分析发电机组在长时间运行中的稳态性能。
通过分析得到的力平衡方程组，可以得到发电机组的稳态运行工况。
这可以用于确定发电机组在不同风速下的最大输出功率。
-瞬态分析：瞬态分析是指分析发电机组在突发事件下的动态响应。
例如，当发电机组遭遇突然变化的风速时，会出现过载或欠载等问题。
通过分析动力学方程组，可以了解到发电机组在瞬态工况下的响应和稳定性。
风力发电机组结构动力学分析
风力发电机组结构动力学分析风力发电机组是利用风能来转换成电能的装置，由风轮、转轴、传动装置、发电机和控制装置等组成。
结构动力学分析是通过研究风力发电机组的结构响应和动力特性，以评估其工作性能和安全性。
本文将从风轮的动力特性、转轴的振动特性、传动装置的振动特性和发电机的振动特性四个方面对风力发电机组的结构动力学进行分析。
1.风轮的动力特性风轮是风力发电机组的核心部件，其动力特性直接影响到发电机组的工作性能和电能输出。
风轮的动力特性主要包括叶片的弯曲振动、扭转振动和自由振动。
在结构动力学分析中，需要考虑风荷载对叶片的作用力，分析叶片的应力和振幅，以及叶片的共振频率和阻尼特性等。
2.转轴的振动特性转轴是连接风轮和发电机的部件，其振动特性对风力发电机组的稳定性和可靠性具有重要影响。
转轴的振动特性主要包括自由振动、受激振动和共振等。
在结构动力学分析中，需要考虑转轴的模态分析，确定其固有频率和阻尼特性，以及受力条件下的振动响应和应力分布等。
3.传动装置的振动特性传动装置是将风轮的动力传递到发电机的部件，其振动特性对发电机组的工作平稳性和传动效率具有重要意义。
传动装置的振动特性主要包括齿轮传动的共振和振动功率损失等。
在结构动力学分析中，需要考虑齿轮的模态分析，确定齿轮的共振频率和阻尼特性，以及齿轮的传动效率和振动稳定性等。
4.发电机的振动特性发电机是将风轮的动力转换成电能的部件，其振动特性对风力发电机组的安全性和寿命具有重要影响。
发电机的振动特性主要包括转子的不平衡振动、轴向力振动和弹性支撑振动等。
在结构动力学分析中，需要考虑发电机的模态分析，确定其固有频率和阻尼特性，以及受力条件下的振动响应和应力分布等。
结构动力学分析可以通过有限元方法、模态分析、频率响应分析和时程分析等手段进行。
通过对风力发电机组的结构动力学分析，可以评估其工作性能和安全性，优化设计参数，提高发电效率和可靠性。
同时，结构动力学分析还可以指导发电机组的维护和故障诊断，延长其使用寿命，降低运行成本，为风电产业的可持续发展做出贡献。
风力发电机组工程力学分析及优化
风力发电机组工程力学分析及优化引言：随着全球对可再生能源的需求不断增加，风力发电作为一种环保、可持续的能源形式，受到了广泛关注。
而风力发电机组作为风力发电系统的核心部分，其工程力学分析和优化是实现高效能源转化的关键。
本文将对风力发电机组的工程力学进行分析，并探讨如何优化其性能。
一、风力发电机组的工程力学分析1. 风力发电机组的结构风力发电机组主要由风轮、发电机和塔架组成。
风轮是将风能转化为机械能的关键部件，发电机则将机械能转化为电能。
塔架则起到支撑和稳定整个机组的作用。
2. 风力对风轮的作用力风力是风力发电机组的驱动力，其作用力对风轮的转动起着至关重要的作用。
风力的大小和方向会直接影响风轮的转速和转动方向。
通过对风力的分析，可以确定风轮的最佳设计参数，以提高发电效率。
3. 风力发电机组的动力学分析风力发电机组在运行过程中会受到多种力的作用，如风力、重力、旋转惯性力等。
通过对这些力的动力学分析，可以确定机组的受力情况，从而优化机组的结构设计，提高其稳定性和可靠性。
二、风力发电机组的优化1. 材料选择与结构设计风力发电机组的材料选择和结构设计对其性能具有重要影响。
选择合适的材料可以提高机组的强度和耐久性，同时减少材料的成本。
而合理的结构设计可以优化机组的受力分布，提高其稳定性和工作效率。
2. 控制系统的优化风力发电机组的控制系统对其运行状态和发电效率起着重要作用。
通过优化控制系统的参数和算法，可以提高机组的响应速度和稳定性，从而提高发电效率。
3. 运维与维护的优化风力发电机组的运维与维护对其长期运行和性能保持至关重要。
通过优化运维与维护策略，可以降低机组的故障率和维修成本，延长机组的使用寿命。
结论：风力发电机组的工程力学分析和优化是实现高效能源转化的关键。
通过对风力发电机组的结构、动力学和控制系统进行分析和优化，可以提高机组的性能和可靠性，实现更高效的风能转化。
同时，优化运维与维护策略也能够延长机组的使用寿命，降低维修成本。
大型柔性风电机组动态模型研究
大型柔性风电机组动态模型研究柔性风机是近年来风力发电领域中的一种新型技术，它采用柔性材料替代传统刚性材料，大大提高了风电机组的整体性能。
本文将针对柔性风电机组的动态模型展开研究，并探讨其对风电发电行业的发展带来的潜在影响。
一、柔性风电机组概述柔性风电机组是指采用柔性材料设计制造的风能转化装置。
与传统的刚性风电机组相比，柔性风电机组采用柔性材料替代传统的刚性材料，比如说碳纤维、玻璃纤维等高强度轻质材料。
同时，还采用了新型的控制策略来使得机组性能更加优化。
柔性风电机组的主要优点包括以下几个方面：1. 可以在更广泛的风速范围内工作。
2. 机组的扭转惯性更小，因此可以更快地跟踪变化的风速。
3. 采用柔性材料的机组更加轻量化，因此可以降低机组成本和维护成本。
但是，柔性风电机组也存在一些问题，比如：1. 由于柔性材料的使用，机组的结构需要更加复杂，因此制造和安装成本更高。
2. 柔性材料的使用可能导致机组在长时间的运行中出现疲劳和损坏，因此需要更频繁的维护。
二、柔性风电机组的动态模型建立柔性风电机组的动态模型是研究其工作性能以及进行优化控制的重要基础。
一个完整的柔性风电机组动态模型包括从叶片到整个机组的各个分块，较为详细的模型可以分为以下几个部分：1. 叶片动力学模型叶片动力学模型是指对叶片的动态响应进行建模。
该模型需要考虑叶片的惯性、弯曲刚度、轴向刚度、扭曲刚度等因素。
此外，还需要考虑叶片的气动弹性和风速的影响。
2. 主轴和齿轮箱动力学模型主轴和齿轮箱动力学模型需要考虑机组旋转运动的动态响应。
该模型需要考虑主轴和齿轮箱的惯性、扭转刚度等因素。
此外，还需要考虑机组转速的影响。
3. 发电机动力学模型发电机动力学模型需要对发电机的响应进行建模。
该模型需要考虑发电机的惯性、转矩、电学性能等因素。
此外，还需要考虑机组电力输出的影响。
4. 控制器模型控制器模型需要对机组的控制策略进行建模。
该模型需要考虑控制器的响应速度、控制命令等因素。
基于风力发电机的动力学分析研究
基于风力发电机的动力学分析研究基础风力发电机时，发电机的叶轮获得风能，利用风的动能推动风轮的旋转，并带动发电机的运动，即风能转化为机械能，最后通过叶轮的旋转将机械能转化为电能[5]。
风力对叶轮的作用力是整个风力发电机的动力输入，叶轮产生的机械能越多，则风力发电机获得的电能也就越多。
风力发电机是通过风轮在风中获得风的能量，此时经过叶片的风由于将其自身的动能转化为风轮的动能，风的速度会下降。
当风扫过叶片的圆周面积时，经过叶片所在的圆周面，将空气和没有通过风轮的空气分离开来，就可以得到一个气流管。
其气流管的示意图如图1所示。
从图1中可以看出，由于风力发电机叶片的存在，使得叶片上游的空气在接近叶片时，出现衰减，与此同时，由于风速的降低会使得叶片下游的气流管的膨胀，等同于空气的静压上升，最终风力的一部分动能就会转化为发电机叶片的机械能。
上游的气体经过叶片之后，其静压会降，使尾流的气体的压力小于大气压。
因此，整个过程中，叶片的上游和下游远处的空气，静压始终是保持不变，仅仅减小了气体的动能。
通过对风力发电的原理进行阐述之后，其中也会存在一些不足，总结几点如下：（1）随着风力发电机组容量的不断增大，相应的塔架高度也越来越高，这样使得发电机的齿轮箱传动受力情况变得复杂。
尤其是在特殊地形的气流对叶片影响较大，这样使得风力发电机的传动变得极其不稳定，再加上风力的或大或小，都会加速风力发电机的损坏。
（2）在风力发电机刚刚开始运行时，由于发电机的运动存在较大惯性，这种惯性力对叶片产生的作用力刚好相反，这样对于传动系统有很大的冲击，尤其齿轮箱中啮合的齿轮，大大降低了齿轮的使用寿命。
另外，当风力发电机需要停止时，对齿轮箱的零部件承受较大的冲击，直接会损坏齿轮箱的零部件。
（3）在寒冷的地区，比如我国的东北地区，冬季气温基本上处于零下，甚至到达零下40℃。
由于风力发电机的设计所能够承受的温度在-20℃左右，特殊的发电机可以达到-30℃，这些因素主要有变速箱的内部结构决定，由于齿轮箱中齿轮啮合会放润滑油，来提高齿轮的寿命，但是在低温环境下，齿轮箱的润滑油就会变得粘稠，对齿轮的旋转是一种阻碍，增加了发电机的阻力，这样降低了风力发电机的发电效率。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
网络出版时间：网络出版地址：Abstract:According to designed parameter,the rigid model of the large wind generators was built in UG software;The impeller is selected to be researched object,modal neutral files of key parts are at -tained by the analysis in ANSYS software.The analysis model of multi-flexible bodies of the impeller is built in ADAMS software.With analyzing 、predigesting 、loading of wind load and analyzing of dy -namic simulation to impeller model,a a lot of dynamic parameters of Flexible Impeller are obtained,which are truer and exacter .These provide certain basis of load for designing 、analyzing 、optimizing the design of key parts of large wind generators for future.The new thought is explored,which are about dynamic research of multi-flexible bodies of large wind Generators .Farther,the high-perfor -mance large wind generators are designed.Key words:wind generators ；flexible impeller ；dynamic analysis 0引言叶轮是风力发电机组最关键的部件，其造价约占风力发电机组总造价的20%～30%，它的设计寿命应该至少达到20年。
叶轮应尽可能设计得最佳，以提高其能量转换效率。
风力发电机运行在复杂的自然环境中，所受载荷情况也非常复杂，主要包括空气动力载荷、重力载荷和惯性载荷。
风力发电机组的空气动力特性取决于叶轮的几何形状，叶轮的几何形状取决于叶片数目、弦长、扭角、相对厚度分布以及叶片所用翼型的空气动力特性等。
在风力机的设计研究中，为了对风力机关键零部件进行强度分析、结构动力特性分析以及寿命计算，确保风力机在其设计寿命内能够正常地运行，必须对风力机及其零部件所受外载荷进行分析计算。
作用在叶轮上的空气动力是风力机最主要的动力来源，也是造成各个零部件的主要的载荷来源。
要计算风力发电机组上的载荷就必须先计算出空气作用在叶片上的作用力。
目前，计算作用在叶片翼型上的空气动力的主要依据是叶素理论。
本文根据叶素理论计算的叶片简化风载大型风力发电机组柔体叶轮动力学分析摘要：选取叶轮系统为研究对象，通过ANSYS 分析获得关键部件的模态中性文件（MNF ）；在ADAMS 中建立叶轮多柔体分析模型，经过对叶轮模型风载荷的分析、简化、加载、动力学仿真分析等，获得柔体叶轮的各种更真实、更准确的动力学参数，为后续大型风力发电机组关键部件的设计、分析、优化提供可靠的载荷依据；从而探索了一种对大型风力发电机组进行多柔体动力学分析研究的新思路，进而设计高性能的大型风力发电机组。
关键词：风力发电机；柔体叶轮；动力学分析中图分类号：TK83文献标志码：A文章编号：1671-5292（2010）06-0000-04党长营，孙文磊，何连英（新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047）The dynamic research on flexible impeller ofthe large wind generatorsDANG Chang-ying ，SUN Wen-lei ，HE Lian-ying（College of Mechanical Engineering ，Xinjiang University ，Urumqi 830008，China ）收稿日期：2010-01-12；基金项目：国家自然科学基金项目（50765007）。
作者简介：党长营（1983-）男，河南南阳人，硕士研究生，主要研究方向为数字化设计与制造。
E-mail:dangchangying@ DOI:CNKI:21-1469/TK_20101022.1157.0062010-10-22 11:57/kcms/detail/21-1469_tk.20101022.1157.006.html荷，在ADAMS 中加载到风机柔体叶轮模型上，进而进行动力学分析研究，得到主轴及轮毂处的动态载荷，为后续风机部件的设计、分析提供可靠的载荷依据[1]，[3]，[4]。
1叶轮模型的建立1.1叶轮多刚体模型的建立本文仅选取叶轮、主轴和主轴承座为分析对象，建立叶轮的刚体模型，将在UG 中建立的刚体模型导入由ADAMS 得到的刚体模型如图1所示。
1.2叶轮多柔体模型的建立研究风力机叶轮系统的动力学特性时，如果把叶轮和轮毂视为刚体，运动分析时就不发生弹性变形。
虽然这也能得到叶轮的一些动力学特征，但是存在着较大的误差。
如果将叶片和轮毂都转化为柔性体对叶轮加载仿真，不仅可真实地模拟出叶轮运动时的动态行为，还可以分析机构的动态应力、应变、振动等。
ADAMS/Flex 采用模态柔性来表示物体弹性的，其基本思想是赋予柔性体一个模态集。
采用模态展开法，用模态向量和模态坐标的线性组合来表示弹性位移。
通过计算每个时刻物体的弹性位移来描述其变形运动，Adams 软件中的柔性体采用模态中性文件来描述，它是一个独立于操作平台的二进制文件，包含柔性体的几何信息、节点质量和惯量、模态、模态质量和模态刚度等几何信息。
在Adams 中可以通过多种形式得到模态中性文件，本研究是采用ANSYS 软件进行有限元分析,得到叶片和轮毂的模态中性文件(图2)。
叶片的刚点与刚性区域如图3所示。
轮毂的刚点与刚性区域如图4所示[2]，[3]。
利用ADAMS 与ANSYS 之间的双向数据交换接口，将图1叶轮多刚体模型中的3个刚体叶片和轮毂分别替换为柔性体叶片和柔性体轮毂的多柔体模型[2]，[3]。
1.3叶轮多柔体模型中运动关系创建在大型风力发电机组中，叶片与轮毂、轮毂与主轴等都是通过螺栓连接的。
根据实际的运动关系，在3个叶片与轮毂之间分别建立3个哑物体；通过三个哑物体分别与3个柔体叶片加30个Fixed Joint ，然后再将3个哑物体与柔体轮毂通过24个Fixed Joint 连接；并且在选择FixedJoint 的位置时，选择的是柔体叶片与柔体轮毂刚点；这样，通过刚点和哑物体将3个柔体叶片和轮毂连接起来。
通过刚点轮毂与主轴建立8个Fixed Joint ；主轴与主轴承座建立1个Revolute（a ）主视（b ）右视局部图1ADAMS 中刚体叶轮模型Fig.1The model of rigid impeller in ADAMS图2ADAMS 中生成MNF 文件流程示意图Fig.2Sketch map of creating MNF file in ADAMS softwareUG 中叶轮零件导入ANSYS 中前处理网格划分，设置刚性点、区域ANSYS/ADAMS 接口调用设置单位和输出条件生成ADAMS 需要的MNF 文件图3叶片的刚点与刚性区域Fig.3Rigid points and areas of the vane图4轮毂的刚点与刚性区域Fig.4Rigid points and areas of the the hubJoint ；主轴承座与Ground 建立1个Fixed Joint 。
2叶轮模型载荷分析与加载由于风力发电机运行在复杂的外界环境下，所承受载荷工况也非常多，根据风力机运行状态随时间的变化，可以将载荷工况划分为静态载荷、动态载荷和随机载荷。
动态载荷和随机载荷具有时间上和空间上的多变性和随机性，要想准确地计算比较困难。
静态载荷基本上不考虑风力机运行状态的改变，仅考虑环境条件的改变。
2.1叶素理论要计算风力发电机组上的载荷，就必须先计算出空气作用在叶片上的作用力。
目前，计算作用在叶片翼型上的空气动力的主要依据是叶素理论。
叶素理论的基本出发点是将叶片沿展向分成许多微段（即叶素）。
假设作用在每一个环向分量（以半径r 和宽度d r 表示的叶素）上的力相互之间没有干扰，都可以被独立地分析；作用在叶素上的力取决于叶素截面形状的升力和阻力特性。
将作用在每个叶素上的气动力沿叶片展向积分就可以求得作用在整个叶片上的升力和阻力，进而求得作用在叶轮上的轴向推力和作用在叶轮轴上的扭矩。
从图5可知：在叶轮半径r 处叶素上的轴向推力为δT =L cos φ+D sin φ=12ρw 2NCr （C l cos φ-C d sin φ）δr 在叶轮轴上产生的扭矩为δQ =L sin φ-D cos φ=12ρw 2NCr （C l sin φ-C d cos φ）δr 式中：ρ为空气密度；w 为垂直来流风速；C 为弦长；C l ，C d 分别为剖面翼型升力和阻力系数；N 为叶片数；φ为来流角。
要计算作用在整个叶片上的空气动力和扭矩，只需沿叶片展向将这些升力元、阻力元和扭矩元进行积分[4]～[6]。
2.2叶轮载荷简化加载风力机依靠叶轮将风的动能转化为机械能，叶轮是风力机最主要的承载部件。
叶轮主要承受空气动力、重力和离心力。
实际上，风施加到叶片上的载荷是沿叶片表面的分布载荷，最理想、最准确的施加方法是在ADAMS 中通过编程方法，将流体分析软件得到叶片上压力分布加载到叶片上去，但是目前还不能实现。
由于翼型的不同直接影响简化轴向推力和叶轮轴扭矩的大小，因此本研究将风载荷简化为3个从叶片质心垂直于叶片中心与轮毂中心连线方向和3个从叶片质心与主轴轴线平行方向的力（图6）。
此处的力载荷都是加载在叶片质心处的3个哑物体上，哑物体与3个柔性叶片施加固定副。
3叶轮模型仿真分析3.1ADAMS 仿真参数设置施加约束关系和力载荷后，在ADAMS 前处理主界面调出Simulation control 仿真控制界面，设置仿真时间和步数。
由于步长涉及到求解方程求解过程、截断误差和舍入误差问题，设置不当可能导致仿真失败。