大型风力发电机复合材料叶片动态特性分析.pdf

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1、大型风力发电机复合材料叶片动态特性分析冰口郑玉巧口赵荣珍口刘宏兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室兰州730050摘要：以1．2MW风力机叶片为研究对象，采用参数化建模技术建立大型风力机复合材料叶片的三维有限元壳模型．在此基础上采用拟波前子空间迭代法准确计算了基于多因素耦合作用下复合材料叶片的固有频率和振型。进而分析了不同形式的振动对旋转叶片的影响机理，该计算方法对大型复合材料风力机叶片的结构设计具有一定的参考价值。关键词：风力发电机复合材料叶片拟波前子空间迭代法动态特性中图分类号：TH123

2、；TK83文献标识码：A文章编号：1000-4998(2Ol3)05一OO05—03Abstract：Ittakes1．2MWwindturbinebladesastheresearchobjectandadoptsparametricmodelingtechnologytocreate3一Dfiniteelementshellmodelforcompositebladesoflarge—scalewindturbines，onthisbasisitintroduceswavefrontsubspaceiter

3、ationmethodforaccuratecalculationofnaturalfrequenciesandmodeofvibrationofthecompositebladesundermultifactorcouplinginfluence．Furthermore．itanalyzesthemechanisminwhichtherotatingbladesareimpactedbythedifferentformsofvibrations．Thiscalculationmethodpresentscer

4、tainvaluablereferencesinthestructuraldesignofcompositebladesforlarge—scalewindturbines．KeyWords：WindTurbineCompositeBladeWavefrontSubspaeeIterationMethodDynamicCharacteristics风力发电机叶片是风力机捕获风能的关键部件，的函数来近似，这些近似函数(也称为插值模式)可由其结构和强度对风力机的可靠性起重要作用。由于玻场变量在节点处的值确定。由平衡

5、、物理、几何三方程璃钢／复合材料的高强度和低弹性模量的特性，国内外可导出结构的有限元基本方程]：已普遍采用玻璃钢／复合材料的叶片[】]。大型风力机叶[M]{引+[c]{引+[K]{g}={F}(1)片在高空中作大范围空间运动，由于旋转惯性力、气动式中：[M]为系统质量矩阵；[C]为系统阻尼矩阵；[]力、重力等因素引起耦合效应，部件表现出明显的几何为系统刚度矩阵。非线性特征．即惯性载荷导致叶片的局部或整体刚度在非零的初始条件下，式(1)有非零解，反映了结发生改变。加之叶片结构是个展向长、弦向短的细长构本身固有的特

6、性，这就是结构的固有频率与振型，体．柔性好．容易发生振动，其振动不仅会引起叶片的在数学上称之为特征值与特征向量。在实际工程中，由附加应力，而且影响叶片自身气动性能及其结构强度。于阻尼对结构自振频率及振型影响不大。因而在讨论叶片在工作过程中经受较大振动和变形，不仅影响整结构的固有特性时，常不计阻尼作用。令q={咖}sin(wt+机稳定性，而且影响叶片自身的气动性能。因此，在风p)代入。根据瞬时最小势能原理可以导出叶片在时变力机机组的设计过程中，必须考虑叶片的结构动力特载荷作用下的多自由度运动方程⋯：性及其动态响应

7、[。有限元法是求解叶片结构振动特一to[M]{(b}sin(tot+0)+[K]{咖}sin(∞t+日)={0}(2)性的一种有效方法，由于叶片结构设计时要调整结构([K]一[朋]){币}=0(3)布局和材料铺层方案，加之叶片结构的复杂性，数值式中：}为第i阶模态的振型向量(特征向量)；tot为分析的效率较低，而有限元法由于具有较多自由度，计第阶模态的固有频率的特征值。算精度较高．因此可以准确地模拟风力机叶片柔性结风力机叶片与轮毂间的连接可认为是固定连接，构的力学行为_3]。即叶片根部节点的自由度被约束，也就意

8、味着根部节点的位移、转角均为零。对式(3)在上述约束条件下采1叶片有限元动力学方程用拟波前子空间迭代法求解。可以求得前五阶的固有假设叶片的有限元单元为线弹性体，并处于小变频率和振型。形范围内且有限元内场变量的变化可以用一种简单2参数化建模国家自然科学基金资助项目(编号：50875118，51165019)风机叶片的外形与内部结构较为复杂。一般由前甘肃省自然科学基金资助项目(编号：111