风力机叶片模态分析及稳定性分析
风力机叶片的模态分析
2020.8 EPEM133新能源New Energy 风力机叶片的模态分析安徽龙源风力发电有限公司 高 鹏摘要：研究自由振动期间5MW水平轴浮动风力机I型叶片的各阶模态下频率对于叶片的共振效应，结果表明I型梁下的风力机叶片不会发生共振效应，使用I型梁可以有效提高强度支撑和降低共振效应。
关键词：风力机；叶片；仿真；设计引言由于人口的增加和电力设备的广泛发展，世界对电能的需求也呈井喷式的发展，同时为了减少温室气体的排放，在过去的几年里风能行业发展迅速[1]。
风力机叶片表面结构复杂，由具有不同扭转角度、弦长、俯仰轴位置的翼型部件组装而成[2]。
叶片通常由玻璃纤维、环氧树脂等几个复合材料构成，具有轻便、耐久的特点[3]。
目前国内外对风力机的研究主要集中在叶片的翼型设计、空气动力学研究、振动噪声的形成机理，阳雪兵[4]研究了风力机叶片叶尖变形量与腹板厚度的关系，获得了叶片主要部分的应力分布情况，分析叶片低阶模态振动与固有频率，为风力机叶片设计提供基础数据。
由于单台风力机发电效率的增加，叶片尺寸也随之增加，导致转子和叶片的质量增加，这使得风力机主体的轴、塔架要求更加严格，但它减少了单位风场风力机的数量而提高运营成本[5]。
风力机叶片设计的主要目标是在一定风速范围内转子提供所需输出功率，然而转子、风力机叶片强度、刚度等性能应予以考虑。
本文以5MW水平轴浮式风力发电机叶片的结构模态进行分析，在自然频率下描述I型叶片在不同模态下的振动效果，揭示通过加装I型梁可有效改变固有频率是避免共振效应和不良弹性结构的关键机制。
1 理论模型1.1 物理模型叶片的整体结构影响着其运行的安全性，因此叶片抵抗弯曲的能力至关重要。
通常在叶片内部布置1~2根钢筋翼梁用于局部加固，确保剪切强度，提供支撑结构。
翼梁的结构刚性至关重要，比较常见的为I型翼梁，其设计结构防止叶片在旋转过程中撞到塔架，同时保证叶片质量较小，并防止其发生共振效应（图1）。
风力发电机组的结构强度与稳定性研究
风力发电机组的结构强度与稳定性研究随着全球对可再生能源的需求不断增加，风力发电作为一种清洁能源的代表，得到了广泛的应用和研究。
而风力发电机组作为风能转化设备的核心组成部分，其结构强度与稳定性研究对于提高发电效率和延长设备寿命具有重要意义。
本文将对风力发电机组的结构强度与稳定性进行研究，并提出相应的分析和解决方法。
一、风力发电机组的结构强度研究1. 零部件强度分析风力发电机组的结构由许多零部件组成，包括机舱、叶片、轴承等。
针对每个零部件，需要进行强度分析，确定其承受风力荷载的能力。
可以采用有限元分析方法，通过建立数值模型来模拟不同工况下的力学响应，并结合实验数据对模型进行验证，最终确定各个零部件的强度参数。
2. 整体结构的强度优化设计在零部件强度确定的基础上，还需要对整体结构进行强度优化设计。
通过合理的结构布局和材料选择，提高风力发电机组的整体强度。
可以采用拓扑优化、参数优化等方法，通过计算机辅助设计软件对整体结构进行优化，进而提高发电机组的结构强度。
二、风力发电机组的稳定性研究1. 风力荷载对机组稳定性的影响风力是影响风力发电机组稳定性的主要因素，对机组的运行和性能有着重要影响。
风力荷载会给机组带来扭矩、振动等力学和动力学效应，因此需要研究风力荷载对机组稳定性的影响规律。
可以通过数值模拟和实验测试等方法，获取风力荷载下机组的响应情况，进而评估机组的稳定性。
2. 振动与抗振性能研究机组的振动问题是影响其稳定性的重要因素之一。
通过对机组振动的研究，可以了解机组在运行中存在的振动特性，并进一步研究振动对机组结构的损伤程度。
此外，还需要进行抗振性能的研究，通过结构优化或振动控制技术，提高机组的抗振能力，确保其在长期运行中的稳定性。
三、风力发电机组的结构强度与稳定性综合分析在研究了风力发电机组的结构强度和稳定性后，需要进行综合分析，找出两者之间的关联和相互影响。
通过综合分析，可以判断机组的设计是否满足结构强度和稳定性的要求，进而提出改进措施。
风力机叶片气动弹性稳定性分析
风力机叶片气动弹性稳定性分析随着能源问题的日益严重，利用可再生能源发电技术已越来越受到社会的重视。
风力发电是一种利用风能发电的技术，它能够以较小的环境影响，实现低成本的能源供应。
而风力发电系统的最关键部分就是风力发电机叶片，因此，风力发电机叶片的气动弹性稳定性也成为研究发电机叶片参数设计、挣度计算等的关键内容。
本文旨在对风力发电机叶片的气动弹性稳定模型进行分析，以深入了解叶片的气动弹性特性。
首先，文中将介绍风力发电机叶片的气动弹性特性，并介绍模型的基本原理。
其次，文中介绍了风力发电机叶片气动弹性稳定性模型计算的详细流程，包括：叶片模型的建立，其中主要涉及叶片模型的定义、叶片气动弹性特性参数的取值和截面参数的计算；叶片结构和气流环境的建立，主要涉及叶片装配状况、风速变化等；叶片气动弹性特性参数建立，其中包括叶片的弯曲系数、抗扭力系数和抗剪力系数等；叶片气动弹性状态分析，主要涉及叶片振动拟合和叶片气动弹性分析。
最后，文中介绍了采用计算流体动力学方法对模型的数值模拟，以验证模型的准确性。
总的来说，本文从理论分析的角度研究了风力发电机叶片的气动弹性特性，并从参数设置、模型分析和数值模拟三个方面阐述了分析过程，为风力发电机叶片性能设计提供了有效指导。
作为研究发电机叶片参数设计和挣度计算的关键内容，叶片气动弹性分析对风力发电机叶片的气动弹性参数建立和分析也具有重要意义。
风力发电机叶片的气动结构参数、叶片气动弹性特性参数以及叶片气动弹性分析等，都是需要综合考虑的因素。
本文从理论分析的角度研究了风力发电机叶片的气动弹性特性，并从参数设置、模型分析和数值模拟三个方面阐述了分析过程，为风力发电机叶片性能设计提供了有效指导。
未来风力发电机叶片气动弹性分析领域的研究将是在实验验证和计算机模拟的基础上，改进分析模型，提高分析的精度和准确性，以更好地支持叶片性能设计，为叶片的有效应用提供科学的依据。
总之，利用叶片气动弹性模型能够有效地分析风力发电机叶片的气动弹性特性，从而为风力发电设备的设计提供参考。
风力机叶片气动弹性稳定性分析
风力机叶片气动弹性稳定性分析风力发电，作为一种新型的可再生能源，已经受到越来越多的关注，也因此风力机的发展得到了大力推动。
风力机的核心部件就是叶片，叶片气动弹性稳定性及耐久性的好坏直接影响着风力机的效率及寿命。
因此，对叶片的气动弹性稳定性进行系统的分析和研究已经成为叶片设计的重要研究内容之一。
空气动力学和弹性力学是叶片气动弹性稳定性分析的两个基本理论前提，从空气动力学上分析叶片的气动拉力分布和叶片的弯曲状态，从弹性力学上分析叶片的内力分布和叶片的各向异性分析。
在分析叶片气动弹性稳定性时，应当考虑到叶片复杂的气动结构、叶片的弯曲变形、叶片的结构参数及叶片的结构材料等特性，然后根据平面叶片的弯曲理论，经过正确的叶片气动弹性分析，分析叶片的气动拉力和弯曲分布，从而得到叶片的气动弹性稳定性。
叶片气动弹性稳定性分析可以采用多种方法，如舵模型法、摆动模型法、气动弹性有限元法、工程数值计算法。
比较重要的是摆动模型法和气动弹性有限元法。
摆动模型法是通过模拟叶片的飞行状态，按照特定的运动模型，运用摆动理论，对叶片在一定的摆动角度下的弯曲性能和气动拉力分布进行有限元估算，计算叶片的气动弹性稳定性。
而气动弹性有限元法则是利用有限元理论，综合运用空气动力学和弹性力学，从叶片表面进行空气动力及弹性场的分析，计算叶片气动弹性稳定性。
上述两种方法对叶片气动弹性稳定性分析都具有较大的可行性，但是，由于叶片结构复杂，尺度差异大，所以需要通过弹性力学和空气动力学理论及有限元理论综合运用，才能准确分析叶片的气动弹性稳定性。
结合相关的叶片实验，采用有限元法对叶片进行气动弹性稳定性分析时，确定风速及叶片形状、材质等参数，计算叶片的气动弹性稳定性的最大摆动角度和气动弹性稳定性失稳点，从而为叶片设计提供有力的支持。
在叶片气动弹性稳定性分析方面，很多叶片分析理论和方法在风力发电领域已经得到广泛的应用，大大提高了叶片的设计水平和分析水平，有力的支持了问答技术的发展。
风力机叶片气动弹性稳定性分析
风力机叶片气动弹性稳定性分析风力机叶片气动弹性稳定性是指风力机叶片在风载荷作用下具有良好的气动性能和弹性稳定性，有效地提高风力机的可靠性和抗疲劳性。
本文将从叶片结构特性和气动特性两方面进行分析，来探讨风力机叶片的气动弹性稳定性。
叶片结构特性对叶片气动弹性稳定性有重要影响。
叶片的结构包括形状，尺寸，屈曲，前缘和翼尖等。
形状是叶片结构重要参数之一，包括翼面和翼根，它决定了叶片气动性能。
尺寸是指叶片的长度，它决定了叶片的抗疲劳性。
叶片的屈曲是指叶片的曲率，它决定叶片的气动性能。
前缘是指叶片前沿及两端的总体特性，主要包括前缘角，前缘曲率和前缘宽。
前缘的形状会影响叶片的气动分布和流动特性，从而影响叶片气动弹性稳定性。
翼尖是叶片尖顶部，它决定了叶片的吸气，喷气和抗疲劳性。
气动特性对叶片气动弹性稳定性也起着重要作用。
气动特性主要包括动压曲面，阻力曲线，提升系数和抗疲劳性等。
动压曲面是风力机叶片的最重要气动特性，它决定了叶片的抗疲劳性和弹性稳定性。
动压曲面由一系列点组成，每个点代表叶片的一种气动性能。
阻力曲线是叶片气动性能的补充，它描述了叶片在不同空气速度下的气动阻力特性。
叶片提升系数是叶片气动性能的重要参数，它可以反映叶片气动弹性稳定性。
叶片气动抗疲劳性是指叶片在风力载荷作用下具有良好的抗疲劳性能，抗疲劳性越高，叶片气动弹性稳定性越好。
本文通过对风力机叶片的叶片结构特性和气动特性的分析，发现叶片的叶片结构特性和气动特性都会直接或间接地影响叶片的气动弹性稳定性。
因此，要确保风力机叶片具有良好的气动弹性稳定性，就必须控制叶片结构特性和气动特性。
叶片结构特性包括叶片形状，尺寸，屈曲，前缘和翼尖。
气动特性包括动压曲面，阻力曲线，提升系数和抗疲劳性等，以及叶片在不同空气速度下的气动阻力特性。
总之，风力机叶片气动弹性稳定性是风力机可靠性和抗疲劳性的重要指标之一，关键在于控制叶片结构特性和气动特性。
叶片的结构特性包括形状、尺寸、屈曲、前缘和翼尖等，气动特性包括动压曲面、阻力曲线、提升系数和抗疲劳性等。
风力发电机组稳定性分析与优化研究
风力发电机组稳定性分析与优化研究第一章引言随着能源需求的增加和环保意识的提高，可再生能源的发展趋势愈加显著。
风能是一种广泛使用的可再生能源，由于其环保、可再生、稳定等特点，逐渐成为能源行业的重要组成部分。
风力发电机作为风力发电的核心设备，其稳定性对发电系统的运行和发电效率起着重要作用。
因此，对风力发电机组的稳定性进行深入研究，具有重要的现实意义和发展前景。
第二章风力发电机工作原理风力发电机是通过将风能转化为机械能输出，再通过传动装置将机械能转化为电能输出。
风力发电机主要由叶轮、主轴、传动器、功率转换器和控制器等组成。
当风通过叶片时，叶片会受到风压力的作用，因而发生转动，通过传动器将机械能传递给发电机组，发电机组将机械能转化为电能输出，电能可以被直接使用或者储存。
第三章风力发电机组稳定性问题风力发电机的稳定性主要包括机械振动稳定性和电力系统稳定性两个方面。
机械振动稳定性是指风力机在风场中的叶轮振动、机架振动、塔筒振动、传动装置振动和发电机装置振动等，如产生共振等不稳定现象，会影响风力机的正常运行和使用寿命。
电力系统稳定性是指发电系统的电压和频率等电学参数的稳定性，如在风场中发生电力系统故障，会影响电力输出，对电网系统也会造成影响。
第四章风力发电机组稳定性分析风力发电机组稳定性分析主要包括静态分析和动态分析两个方面。
静态分析是指对风力发电机组的结构稳定性以及机械性能进行分析和评估，主要涉及到叶片结构、机架结构、传动装置以及发电机组等的设计。
动态分析是指对风力发电机组的动力学特性以及电力系统特性进行分析和评估，主要涉及到风场特性、机械振动特性以及电力输出特性等。
第五章风力发电机组稳定性优化研究风力发电机组稳定性优化研究主要包括结构优化、控制优化以及电力系统优化三个方面。
结构优化是指通过优化叶片结构、机架结构、传动装置以及发电机组等的设计，提高风力发电机组的稳定性和使用寿命。
控制优化是指通过改变风电场下的电机控制方式，使风力发电机组的转速和功率输出更加平稳和稳定。
大型风力机复合材料叶片动态特性及气弹稳定性分析
大型风力机复合材料叶片动态特性及气弹稳定性分析刘伟;尹家聪;陈璞;苏先樾【摘要】Parametric modeling technique is developed to fast build the three-dimensional finite element shell model of a preliminarily designed large composite wind turbine blade, which is subsequently used in the dynamic analysis and static elastic aeroelastic stability analysis of the blade. In the dynamic analysis, natural frequencies and corresponding modal shapes are obtained for the blade in the case of being still as well as being rotating with rated revolution. For the rotating blade, the stress stiffening effect and spin-softening effect due to the centrifugal forces are taken into account. The static elastic aeroelastic stability analysis, i.e. buckling analysis in this paper, is distinct from its counterparts in adopting the pressure distributions obtained from CFD (Computational Fluid Dynamics) calculations as the loads. An interpolation code is developed to address the mismatch between the unstructured CFD grids of the blade surface and the finite shell elements used in the buckling analysis, allowing mapping the pressures computed by using CFD to the finite element model. It is concluded that structural analysis of large composite wind turbine blades using three-dimensional finite element shell model is beneficial to revealing the relatively weak zones of the blades.%采用参数化建模技术快速建立大型风力机复合材料叶片三维有限元壳模型,并在此基础上对叶片的固有动力学特性进行停机及以额定转速旋转两种工况下的模态分析,其中旋转工况考虑了离心力导致的应力刚化效应和旋转软化效应.通过编制插值程序,将CFD计算所得的叶片表面分布压力,导算到叶片结构计算的有限元壳模型上,并以此为载荷对叶片进行静气弹稳定性分析.以某初步设计的1.5MW风机为例的计算结果表明:在参数化三维壳模型建模基础上进行的模态分析技术与结合CFD的静气弹稳定性分析技术,有利于快速、准确地计算大型复合材料叶片的动态特性、识别叶片结构的薄弱部位,并预测叶片发生局部屈曲的可能性及其发生的位置.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2011(029)003【总页数】5页(P391-395)【关键词】风机叶片;壳模型;模态分析;气弹稳定性;屈曲分析【作者】刘伟;尹家聪;陈璞;苏先樾【作者单位】北京大学力学与空天技术系湍流与复杂系统国家重点实验室,北京100871;北京大学力学与空天技术系湍流与复杂系统国家重点实验室,北京100871;北京大学力学与空天技术系湍流与复杂系统国家重点实验室,北京100871;北京大学力学与空天技术系湍流与复杂系统国家重点实验室,北京100871【正文语种】中文【中图分类】TK830 引言随着现代风力发电技术的日益成熟，全球风电产业近年来发展势头良好，大功率、兆瓦级风力发电机大量投入使用。
风力机叶片气动弹性稳定性分析
风力机叶片气动弹性稳定性分析今天，风力机（wind turbine）这一可再生能源设备已成为世界范围内发展快速的新兴行业。
随着技术的不断进步，风力机的性能和可靠性也在不断提升，以满足市场对可再生能源的需求。
风力机叶片作为机翼的绝对核心部件，其空气动力特性对风力机的整体性能有着不可忽视的影响。
然而，叶片气动弹性稳定性这一重要特性却极易受到外部影响，因此针对这一特性的研究具有重要意义。
叶片气动弹性稳定性是指在流动空气中受到的载荷具有一定的变化性，它们可在风力机表面推力的流程过程中传递到叶片表面，从而产生变形，即叶片的弹性稳定性。
叶片弹性稳定性的研究，是构建风力机整体性能分析模式和提高风力机效率的关键。
叶片弹性稳定性揭示了被流体表面载荷作用所形成的叶片曲率空间中的拉力和压力分布，从而给出叶片形状、叶尖折射、风力机结构参数和翼型等特性。
研究风力机叶片气动弹性稳定性的方法有多种，但最主要的两种是实验法和理论计算法。
实验法主要是在实验室中进行气动空气动的测量和观测，从而获得叶片的变形和受力情况，同时通过改进和综合分析推出叶片结构参数和系数等特性。
理论计算法则以数值模拟的方式，运用网格分析法和有限体积法等技术，分析叶片在空气中的受力情况，从而获得叶片的力学特性及构建叶片的一般形状和曲率空间。
考虑到叶片气动弹性稳定性的研究特点和关联性，采取科学合理的研究方法极为重要。
首先，在风力机叶片的弹性稳定性方面，实验法能够对叶片的叶尖折射、叶片结构参数、叶片形状和叶片表面压力分布等特性进行定性分析，但仍存在测试和定量分析方面的缺陷，需要进一步解决。
另外，基于理论计算法的研究可以更为准确地了解叶片的拉力和压力分布，并进行定量分析，从而对风力机的叶片形状、叶尖折射和翼型等特性进行改进和调整，提高其性能和可靠性。
综上所述，以“风力机叶片气动弹性稳定性分析”为标题，研究叶片气动弹性稳定性具有十分重要的意义。
从实验法和理论计算法两方面分析，叶片气动弹性稳定性研究可以构建风力机整体性能分析模型，并促进风力机性能和可靠性的提高。
- 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)。
风力机叶片模态分析及稳定性分析
作者：赵娜李军向李成良
近年来,“能源危机”越来越引起人们的重视,能源短缺使得可再生能源得到空前发展。
风能作为取之不尽用之不竭的可再生能源在近几年得到了迅速发展,世界上不少国家都把开发利用风能作为一项能源政策。
风机叶片是风力机的关键部件之一,目前大型风机叶片的材料主要是轻质高强、耐腐蚀性好、具有可设计性的复合材料,由于叶片采用复合材料铺层设计，结构异常复杂,单纯的经典理论解析计算已难以精确计算出叶片的强度和刚度,为此需要进行有限元的仿真模拟。
本文采用ANSYS的参数化语言APDL直接建模,然后赋材料属性、划分网格,进行叶片模态分析,较好地模拟了叶片的真实结构,计算了叶片在自由状态下的固有频率和在20RPM下的预应力频率。
最后加载极限载荷校核了叶片各截面稳定性。
1叶片模型的建立
1.1建立几何模型
叶片截面的翼型数据通过CATIA导出,结合弦长和扭转角计算出实际叶片截面的坐标。
在AN-SYS的程序中形成如下格式:
根据1MW叶片翼型的特点,将叶片分为45个截面,每个截面上有86个关键点。
通过Bspline 命令将每个翼型上的关键点连成18条曲线,然后将叶片翼型上的曲线通过纵向直线连接。
最后通过Askin命令建立曲面,每两个翼型截面之间就有18个曲面,建完所有曲面就生成了叶片蒙皮的几何模型。
如图1(a)所示,再布置上主梁、腹板,形成整体叶片的几何模型。
1.2建立有限元模型
在单元类型的选择上,根据叶片特点,主要采用shell91和shell99单元,其中shell91单元用于模拟夹芯结构。
在定义材料性能参数时,主要采用定义实常数的方式来模拟材料的性能、铺层角和铺层厚度。
之后选择合适的单元尺寸进行网格划分,最终形成叶片的有限元模型。
该模型共有21295个节点,共划分了7414个高精度的壳单元。
如图1(b)所示。
2模态分析
2.1理论依据
通用运动方程为:
[M]{u..}+[C]{u.}+[K]{u}={F(t)} (1)
假定自由振动并忽略阻尼,则:
[M]{u..}+[K]{u}=0(2)
其中, [M ]、[K]分别为叶片的质量和刚度矩阵; {u}为节点位移向量。
式(2)的解为如下简谐运动:
{u}={U}sinωt (3)
式中, {U}为模态形状(无量纲位移);ω为圆频率。
式(3)代入式(2)得:
([K]-ω2[M]){U}={0} (4)
方程(4)中{U}要有非0解,系数行列式为0,得:
det([K]-λ[M])=0(5)
其中,λ=ω2,上述行列式为λ的多项式,有根λ1,λ2,…,λn。
代入λi得方程:
([K]-λi[M]){Ui}={0}, i=1,2,…,n (6)
可以求得{Ui},即模态。
fi=ωi/2π为系统固有频率
2.2计算结果
2.2.1无预应力自然模态分析。