基于大变形梁模型的风力机叶片气动弹性分析

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1、2014年3月北京航空航天大学学报March2014第40卷第3期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．40No．3基于大变形梁模型的风力机叶片气动弹性分析张新替杨超吴志刚(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：以水平轴风力机为研究对象分析其叶片大幅值气动弹性动态响应问题．基于非线性欧拉梁模型和风力机叶片动态入流、动态失速气动力模型进行气动弹性建模．气弹方程的动态平衡求解采用Newton—Raphson迭代，分别通过牛顿下山法和同伦沿拓法这两种数值手段改善其送

2、代收敛性，并对这两种算法的有效性进行比较，结果表明同伦沿拓法的收敛性相对较好．以两种典型的水平轴风机为算例，在额定工作状态以及某些极端风况下计算叶片动态响应．根据叶片根部弯矩载荷幅值定义系统是否达到临界稳定状态，并针对关停状态的风机研究了叶片临界风速与来流方向角的关系．结果表明，某些极端风况和工作状态下，风机叶片根部弯曲载荷较大，相应临界稳定的风速较低．关键词：水平轴风力机；气动弹性；非线性欧拉梁；动态失速；牛顿迭代；同伦沿拓中图分类号：TK83文献标识码：A文章编号：1001．5965(2014)03-0327-06Aeroelasticanalysism

3、ethodforwindturbinebladebasedonlargedeformationbeammodelZhangXintanYangChaoWuZhigang(SchoolofAeronauticsScienceandEngineering，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)Abstract：Largeamplitudeaeroelasticresponseproblemofwindturbinebladewasinvestigated．Nonlin—

4、earEulerbeammodel，dynamicinflowanddynamicstallmodelwereadoptedinaeroelasticmodeling．Newton—Raphsoniterationwasusedtosolvethenonlinearaeroelasticequations．Newton-downhillmethodandhomoto-PYcontinuationalgorithmwereusedrespectivelytoimproveconvergence，andtheresultshowsthatthehomo—topy

5、continuationismoreeffective．Twotypicalwindturbineswereanalyzedinratedconditionsandinextremewindconditions．Thesystemstabilityboundarywasdefinedaccordingtotheamplitudeofbladebendingno—merit，andtherelationshipbetweenthecriticalwindspeedandazimuthangleoftheinflowwasresearched．Theresult

6、sindicatethatthewindturbinebladessufferexcessivebendingmomentinsomeextremewindcondi—tions，andtheaeroelasticstabilityboundaryofthebladewouldbereachedinsomeoperationmode．Keywords：horizontalaxiswindturbine；aeroelastic；nonlinearEulerbeam；dynamicstall；Newton-Raphsoniteration；homotopycon

7、tinuationmethod如今，水平轴风力机叶片尺寸和柔性不断变大，气动弹性问题日渐突出，风力机结构动力学和气动弹性分析技术取得了长足发展．其中有限元方法是一种风轮叶片结构动力学建模的主流方法‘11．多数叶片建模方法均采用模态缩聚技术，这就导致了叶片只能是在平衡位置附近做微幅振动．目前国际上对于风力机或直升机叶片大幅值振动问题的研究还很少．文献[2]中对基于非线性欧拉梁模型的直升机叶片大幅振动响应问题做了研究，采用谐波平衡法求解动力学方程，使得颤振临界状态下的响应问题得到部分解决．但是该方法基于简谐运动收稿日期：2013—10-22；网络出版时间：201

8、3—11-2913：31；DOI：10．13700／