风力机叶片非线性摆振响应及稳定性分析

本文对风力机叶片摆振运动的动态响应以及稳定性进行了分析.基于叶片大挠度摆振运动控制偏微分方程,进行Galerkin截断离散,得到模态方程.通过将摆振位移分解为静态位移和动态位移,得到了静态位移和动态位移方程.使用摄动法对主共振情况下的动态响应进行求解,分析了入流速度比对稳态解和振幅的影响,以及平衡点的稳定性.得到以下结论:当入流速度比处于在某范围内时,叶片摆振运动表现为主共振,在该主共振的区域内,叶片非线性摆振为稳定的周期运动.     

智能风力机叶片振动主动控制研究综述

风力机叶片是一个细长柔性体,承受多种交变力的作用,其可靠性受到越来越多的关注,现有风力机叶片的被动式控制很难适应风力机叶片大型化发展的要求,针对智能结构的风力机叶片主动控制的研究越来越受到重视。本文对智能风力机叶片的振动主动控制问题进行了综述,包括结构设计、不同智能材料选用及各类控制算法(如直接速度控制、状态空间控制、神经网络控制、前馈控制、自适应控制等不同的控制策略)的运用等。现有的研究存在不同程度的不足:1叶片智能结构设计不足;2智能风力机叶片的理论建模不足;3针对风力机叶片的振动主动控制技术有待完善。今后应加强以上方面的研究力度。     

风力机叶片压电振动的主动控制研究

提出了将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新结构的概念。本文将智能材料作为传感器和作动器,通过机电耦合抑制叶片的振动;利用有限元软件 Algor 分析在气动力作用下叶片的应力、应变;基于压电陶瓷第一压电方程,将风电叶片简化成柔性悬臂梁,建立了压电智能悬臂梁状态空间的动力学模型;针对此系统利用最优控制理论进行主动振动控制,设计了在系统低阶模态空间的振动控制器。最后通过计算机仿真得出：系统振动幅度缩小了约20%,振动时间减少了约80%,从而说明了此主动振动控制方法的有效性和可行性,对防止叶片这一弹性体发生颤振也起到一定的作用。     

航空发动机复合材料叶片振动疲劳特性研究

针对发动机复合材料叶片开展了振动疲劳特性研究。首先通过模态测试获得叶片结构的振型图,确定叶片在振动中应力最大部位疲劳薄弱部位;其次采用振动台施加窄带随机激励载荷,并监测其疲劳薄弱部位的应变水平,获得了复合材料叶片的振动响应及疲劳特性。试验结果显示,叶片在350με应变水平下的振动疲劳寿命为5.46×106;复合材料叶片的固有频率随试验时间的增加而降低。上述结果可为复合材料叶片在发动机中的应用提供部分依据。     

叶片-转子-轴承系统的非线性动力学问题研究

以非线性动力学和转子动力学理论为基础,研究了在油膜力作用下,叶片和转轴耦合振动系统的动力学行为。为分析叶片的惯性影响,将叶片模化为单摆模型。采用Runge-Kutta数值方法求解了耦合系统的振动方程,并利用分岔图、Lyapunov指数图、Poincar啨映射图和频谱图等分析了系统的稳定性。分析结果表明,当转速变化时,系统响应会出现倍周期、拟周期和混沌运动等现象,在此基础上分析了叶片长度的变化对该系统非线性动力学行为的影响。     

失调叶片盘耦合振动中叶片模态精度问题

本文用试验模态分析与数值计算相结合的方法,为真实叶片盘耦合振动模态综合提供了获得高精度的叶片模态的简便途径.     

拱形围带叶片组振动特性分析及实验研究

对拱形围带连接的叶片组利用模态综合方法进行了振动特性分析,并采用脉冲激励等方法对叶片组作了实际测试。分析中考虑了自由界面部件高阶截断模态的影响,而且以对接界面位移耦合叶片各部件及拱形围带。本文的工作为汽轮机拱形围带长叶片结构提供了一种有效的振动特性分析方法。     

风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法

本文提出了一种风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法．将机舱和叶片整体、连接法兰盘分别简化为集中质量,塔筒简化为非均匀悬臂梁,建立风机塔筒结构横向振动方程．给出了用假设模态法计算塔筒结构固有频率和模态函数的过程．通过与文献及有限元数值结果比较验证了方法的有效性．本文方法仅需给出结构的基本参数,如截面半径变化规律、法兰盘位置和质量、机舱及叶片质量,便可快速求解其频率和模态,无需建立其复杂的力学模型．     

基于仿生设计的风力发电机叶片力学性能的实验研究

根据风力机的基本理论和相似理论设计了一个翼型为SG6050,半径为1m的小型风力机叶片。运用结构仿生学原理,对所设计的风力机叶片进行了仿生物中轴铺层设计。通过模态实验与应变实验,比较了传统设计与仿生设计两种不同风力机叶片的力学性能。模态实验结果表明,基于仿生设计的叶片的前六阶固有频率比传统叶片的前六阶固有频率减少约8％;两种叶片的固有频率均满足设计要求;仿生设计的叶片几乎不会改变叶片的动态特性。而应变实验表明,仿生设计的叶片在各种工况下的应变均大于传统的叶片约10％～20％。新设计的叶片具有较好的柔性,有效减小了叶片的应力,提高了叶片的疲劳寿命。     

DYNAMIC CHARACTERISTICS OF LAG VIBRATION OF A WIND TURBINE BLADE

Lagwise dynamic characteristics of a wind turbine blade subjected to unsteady aero- dynamic loads are studied in this paper. The partial differential equations governing the coupled longitudinal-transverse vibration of the blade with large bending deflection are obtained by ap- plying Hamilton＇s principle. The modal problem of the coupled vibration is handled by using the method of numerical integration of Green＇s function. Influences of the rotating speed, the pitch angle, the setting angle, and the aerodynamic loads on natural frequencies are discussed. Results show that： （I） Lagwise natural frequencies ascend with the increase of rotating speed; effects of the rotating speed on low-frequencies are dramatic while these effects on high-frequencies become less. （2） Influences of the pitch angle on natural frequencies are little; in the range of the normal rotating speed, the first frequency ascends with the increase of the absolute value of the pitch angle, while it is contrary to the second and third frequencies. （3） Effects of the setting angle on natural frequencies depend on the rotating speed; influences are not significant at low speed, while they are dramatic on the first frequency at high speed. （4） Effects of the aerodynamic loads on natural frequencies are very little; frequencies derived from the model considering aerodynamic loads are smaller than those from the model neglecting aerodynamic loads; relative errors of the results corresponding to two models ascend with the increase of the absolute value of the setting angle.     

风速不确定性对风力机气动力影响量化研究

风力机气动力学一直是国内外研究的热点课题之一.目前相关研究大都是基于确定性工况条件,但因风力机常年工作在自然来流复杂环境,风速随机波动致使风电系统呈现不确定性,对电网稳定性带来巨大挑战,因此进行不确定风速条件下风力机气动力学研究具有重要意义.为揭示不确定性对风力机流场影响机理并明确其对气动力的影响程度,本文提出一种风力机不确定空气动力学分析方法,基于修正叶素动量理论和非嵌入式概率配置点法,建立水平轴风力机不确定性空气动力学响应模型;以NREL Phase VI S809风力机叶轮为研究对象,基于该模型提取风力机输出随机响应信息,量化不确定风速对风力机风轮功率、推力、叶片挥舞弯矩和摆振弯矩的影响程度;通过分析流动诱导因子不确定性在叶片展长方向上的分布规律,揭示不确定因素在风力机本体上的传播机制,为风电系统设计及应用提供理论依据和重要参考.结果表明,风速波动对风力机功率和气动力影响显著,高斯风速标准差由0.05倍增大至0.15倍均值,功率和推力最大波动幅度分别由13.44%和8.00%增大至35.11%和22.02%,叶片挥舞弯矩和摆振弯矩最大波动幅度分别由7.20%和12.84%增大至1...     

应县木塔风作用振动分析

根据随机振动理论，运用风反应谱的概念，按振型分解法进行了木塔的风振分析，求得了风振剪力及风振弯矩，并与风压静力作用对比，得出了风振系数。     

风力机气动特性的浸入边界法模拟1)

风力发电机的空气动力学性能是决定风力机安全与效率的最重要因素之一。但由于影响风力机气动性能的参数众多,更加高效精确地模拟风力机气动特性一直是风力机的重要发展方向。本文提出了基于浸入边界法的风力机建模,网格离散,以及数值模拟的统一性框架。利用同伦变形来生成光滑的叶片模型,并且使用仿射变换来处理叶片的渐缩与扭转问题。首先,针对二维翼型的升阻力,检验了算法的数值精度。表明此方法对于阻力的模拟具有非常严格的一阶精度,进而提出采用理查森外推法来精确高效修正升阻力模拟结果。同时,模拟研究了拱曲度以及厚度对二维翼型升阻力的影响。随后,模拟研究了单风力机(包含塔架)在不同尖速比下的功率系数,并对塔架与叶片间的相互气动作用进行了初步分析。最后,模拟研究了双风力机在风场中不同前后间隔距离下的气动干涉问题。本文主要意义在于验证建模,离散,与数值模拟的一体化框架的有效可行性,进而为后续研究(给定约束下风力机自动优化选型)提供坚实基础。     

鹅掌楸树叶在风中的变形与振动

树叶的空气动力与流固耦合特性研究在树木保护、新发电技术开发、太阳能帆板设计等方面具有重要意义.Vogel首次发现树叶在较高风速下具有形状重构以避免受损害的能力.Vogel实验时叶柄端部是简支的,与叶柄与树枝的自然连接方式不同.在本文的研究中,叶柄端部是固支的,叶片垂直悬挂,正面或反面迎风.在风速0～27 m/s范围内,存在两种叶片静止状态,即飞翼形稳定和锥形稳定;还有3种叶片振动状态,即低频摆动、第1和第2高频振动.这5种状态由5个临界风速决定.通过70余片树叶测试结果的统计,得到了树叶每个状态存在的概率,及每个临界风速的期望值.流动显示发现树叶变形后其尾流中存在旋涡脱落现象.天平测量发现叶片阻力系数随叶片雷诺数的增大而减小并逐渐接近于0.1.引入悬臂梁模型,采用测量的叶片气动力,对叶柄静态弯曲形状进行计算,结果表明当风速由0逐渐增至5 m/s时,叶柄向下游弯曲迅速;但风速由5 m/s进一步增大时,向下游的弯曲则变慢.     

NON-LINEAR FORCED VIBRATION OF AXIALLY MOVING VISCOELASTIC BEAMS

The non-linear forced vibration of axially moving viscoelastic beams excited bythe vibration of the supporting foundation is investigated. A non-linear partial-differential equa-tion governing the transverse motion is derived from the dynamical, constitutive equations andgeometrical relations. By referring to the quasi-static stretch assumption, the partial-differentialnon-linearity is reduced to an integro-partial-differential one. The method of multiple scales isdirectly applied to the governing equations with the two types of non-linearity, respectively. Theamplitude of near- and exact-resonant, steady state is analyzed by use of the solvability conditionof eliminating secular terms. Numerical results are presented to show the contributions of foun-dation vibration amplitude, viscoelastic damping, and nonlinearity to the response amplitude forthe first and the second mode.     

随机振动离散分析方法

本文提出了随机振动的离散分析方法,给出了一种可以求瞬态乃至稳态均值和均方响应的递推公式,并证明了它的无条件稳定性。应用该公式可以求出线性和等价线性化的非线性振动系统的精确稳态均值和均方响应。     

航空发动机叶片气动弹性动力响应的数值方法研究进展

流动诱发振动造成的航空发动机叶片高周疲劳失效问题深受关注.对叶片的气动弹性动力响应研究的数值方法及进展进行了回顾,总结了航空发动机叶片振动响应实验研究和数值模拟研究的典型成果与特点,并对未来研究发展趋势进行展望.指出进一步的机理研究将集中于不稳定流动因素引发叶片强迫振动发作规律的探索以及更贴近流固耦合物理机制的气动弹性数值模拟方法的发展;在工程需求牵引下,建立适用于工程预测的动力响应分析模型,在设计过程中科学评价叶片气动弹性动力响应问题的潜在风险和发展流动控制基础上的气动阻尼减振技术值得进一步关注.      

风力机叶片翼型动态试验技术研究

风力机叶片动态振荡过程往往伴随着俯仰和横摆同时进行, 以前对许多动态问题不清楚的阶段, 工程上不惜以增加叶片重量为代价而采用偏安全的设计, 通常忽略横摆振荡的影响; 大型风力机设计对获取翼型更加全面、准确的动态载荷提出了更高要求, 研究横摆振荡对翼型动态气动特性的影响规律具有重要意义. 本文首次开展翼型横摆振荡动态风洞试验研究, 采用“电子凸轮”技术代替机械凸轮实现了振荡频率和振荡角度的无级变化, 基于设计的电子外触发装置实现了对动态流场的实时测量, 实现了风洞来流、模型角位移和动态压力数据的同步采集, 分别开展了翼型静态测压、俯仰/横摆动态测压、粒子图像测速和荧光丝线等试验研究, 试验结果准度较高、规律合理; 分析了动态试验洞壁干扰影响机制. 研究表明, 横摆振荡翼型的气动曲线也存在明显迟滞效应; 随着振荡频率升高, 翼型俯仰和横摆振荡下的气动迟滞性均增强; 翼型俯仰振荡正行程的动态失速涡破裂有所延迟; 洞壁与模型端部交界处的强三维效应对翼型压力分布影响较大; 建立的横摆振荡试验技术可为风力机动态掠效应的研究提供技术支撑.      

???????????????е?????????

在风力机风轮空气动力学计算中出现一叶片径向环量分布积分方程的求解问题. 方程中的 被积函数包含待求环量的导数, 是个积分-微分方程. 给出该方程的合理解法，以获取较准确的风轮气动特性. 文中先简述了该积分-微分方程的来源. 继而给出其两种数值解法及被积函数奇异性的处理方 法. 最后将所给方法的气动计算结果与其它方法的结果作了比较，以说明所给方法的有效性. 同时还指出其不足并给出改进的预想方法.