风力机叶片非线性挥舞分析.pdfVIP

第33卷第1期 固体力学学报 V01．33No．1 CHINESE OFSOLIDMECHANICS JOURNAL 2012 2012年2月 February 风力机叶片非线性挥舞分析。 李 亮p+李映辉1 刘启宽2 (1西南交通大学力学与工程学院，成都，610031)(2成都信息工程学院数学学院，成都，610225) 气动力，建立叶片挥舞振动非线性控制方程．由于变截面梁的弯曲刚度和线密度是沿梁轴线变化的函数，无法给出 模态函数解析式，论文提出使用假设模态法计算的模态函数，作为基函数对控制方程进行Galerkin截断，通过将挥 舞振动分解为静态位移和动态扰动合成，对其进行动态响应分析，同时讨论了叶轮转速、风速和旋转位置对振动特 性的影响．研究表明：(1)叶轮转速对叶片挥舞特性影响显著，风速和叶片转角对振动特性影响很小．(2)静态位移 随风速增加而增大，大体上成线性关系，气动阻尼随风速增加而减小．(3)风速较低时，非线性挥舞振动表现为衰减 振动，随着风速增加，振动由衰减振动演化为周期运动，再由周期运动演化为拟周期运动． 关键词风力机叶片，挥舞振动，假设模态法，振动特性，稳定性，气动弹性 0 引言 振影响，将叶片简化为绕轮毂旋转的Euler—Ber— 风力机叶片有挥舞、摆振、扭振和轴向振动四种 noulli梁，其振动控制方程为： 形式．关于叶片振动特性和非线性动力学行为的研 究，Chopra[11将叶片简化为旋转刚体，用弹性铰链 m(x)w(x，￡)一p(x，f) (1) 法研究了叶片扭转、挥舞和摆振的非线性动态响应 问题；Larsen[2。41将叶片简化为旋转Euler—Bernoulli 梁，建立了轴向一挥舞一摆振耦合动力学模型，用有限 舞刚度、挥舞位移、质量分布、叶片长度，FT(z)一 元法计算了前两阶振型，并研究了挥舞一摆振的1： rL 2内共振、非1：2内共振的参数不稳定性和随机稳 Jz 定性；Mahri[513用有限元法计算了叶片挥舞频率、 模态、强迫振动响应；李本立等[8’93以MOD-0为例， 用矩阵分析法研究了扭转角、轮毂、变距机构和转速 无环量升力和气动阻力，y为有环量升力与挥舞方 对叶片振动频率和振型的影响． 向夹角，各表达式见附录，表达式中物理量Q为叶 除有限元和矩阵分析法外，用于叶片振动分析 轮转速，体为叶片与竖赢平面夹角，p为空气密度，a 的方法还有瑞利利兹法、加权残值法等，但这些方法 为升力曲线斜率，c为弦长，R为叶片旋转半径，ex、 建模复杂、多用于线性分析、并且分析叶片参数对振 ey为叶片偏置量e沿X、y轴分量，C肪为阻力系数， 动特性影响不方便．本文提出用假设模态法[1叩计算 为叶片展长，妒一n￡为叶片转角，妒一0为叶尖处于 的叶片振动模态，作为Galerkin法的基函数离散叶 片挥舞非线性控制方程，研究叶片参数对其挥舞特 旋转平面最低处转角，A。为轮毂处的人流速度比，A， 性影响，讨论叶片的非线性挥舞行为． 1 控制方程 风力机叶片有挥舞、摆振、扭转、轴向拉伸四种 赖于风力机所处地理位置，盯一nc／(nR)为转子实 振动，其中挥舞垂直于旋转平面，其与弦线夹角为截 度，：r／为叶片数． ． 面扭转角0．当0很小时，不考虑扭振、轴向振动和摆 2模态函数求解 *国家自然科学基金资助项目和四川省科技计划项目(2010JY0079)资助 2