基于非线性气弹耦合模型的风力机柔性叶片随机响应分析.pdf

振　动　与　冲　击 第３４卷第１０期 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．１０ ２０１５　  基于非线性气弹耦合模型的风力机柔性叶片随机响应分析 徐　磊 ，李德源 ，莫文威 ，吕文阁 ，刘　雄１ １ １ １ ２ （１．广东工业大学 机电工程学院，广州　５１０００６；２．汕头大学 能源研究所，汕头　５１５０６３） 　　摘　要：为准确模拟柔性叶片在紊流风速下的气弹响应，研究叶片振动对气动载荷与气弹响应的反馈，构建包含 多体系统动力学模型与气动模型的柔性叶片非线性气动弹性力学模型。在将细长柔性叶片离散为多刚体系统基础上，运 用计算多体系统动力学理论和ＲｏｂｅｒｓｏｎＷｉｔｔｅｎｂｕｒｇ 的建模方法，结合叶素动量理论，采用Ｋａｉｍａｌ模型模拟脉动风速，建立 风力机柔性叶片的气弹耦合方程。算例以美国可再生能源实验室（ＮＲＥＬ）研制的５ ＭＷ近海风力机为研究对象，分析叶 片的振动和叶根的挥舞与摆振力矩，研究柔性叶片振动对气动载荷影响。结果表明，叶片达到一定长度后，模拟风力机气 弹响应问题时，其振动影响不可忽略。 关键词：风力机；气弹响应；气弹耦合；振动 中图分类号：ＴＫ８３　　　文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１３４６５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｖｓ．２０１５．１０．００４ Ｒａｎｄｏｍ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｂｌａｄｅ ｏｆａ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ａｅｒｏｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｏｄｅｌ ＸＵＬｅｉ ，ＬＩＤｅｙｕａｎ ，ＭＯ Ｗｅｎｗｅｉ ，ＬＷｅｎｇｅ ，ＬＩＵＸｉｏｎｇ１ １ １ １ ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０００６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＥｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｔｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｔｏｕ５１５０６３，Ｃｈｉｎａ） 　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｘａｃｔｌｙ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ ａｅｒｏｅｌａｓｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ａ ｂｌａｄｅ ｕｎｄｅｒ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｂｌａｄｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｏｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄ ａｎｄ ａｅｒｏｅｌａｓｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｈｅｒｅ ａ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ａｅｒｏｅｌａｓｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｂｌａｄｅ ｍｕｌｔｉｂｏｄｙ ｓｙｓｔｅｍｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ａｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｄｉｓｃｒｅｔｉｎｇ ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｌｅｎｄｅｒ ｂｌａｄｅ ｉｎｔｏ ａ ｍｕｌｔｉｒｉｇｉｄｂｏｄｙ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ａｅｒｏｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｕｐｌｅｄ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆｍｕｌｔｉｂｏｄｙ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ＲｏｂｅｒｓｏｎＷｉｔｔｅｎｂｕｒｇ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ． Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｅｌｅｍｅｎｔｍｏｍｅｎｔｕｍ ｔｈｅｏｒｙ （ＢＥＭ）ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ａｅｒｏｅｌａｓｔｉｃ ｌｏａｄ ｏｆｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ ａｎｄ Ｋａｉｍａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ