变耦合区域风力机叶片弯扭耦合效应研究

弯扭耦合风力机叶片可以有效降低叶片极限载荷,但会增加叶片发生气弹不稳定的风险,耦合区域对叶片弯扭耦合性能有重要影响。本文基于节点位移给出了弯扭耦合系数及等效弯扭耦合系数的定义,该定义将弯扭耦合系数视为叶片整体属性,可以考虑耦合区域对叶片弯扭耦合特性的影响。以NREL 5MW风力机叶片作为基准模型,设计了变耦合区域弯扭耦合叶片,研究耦合区域、铺层角度和叶片材料对弯扭耦合叶片的变形及其等效弯扭耦合系数的影响。数值计算结果表明,全区域碳纤维叶片弯扭耦合效应最显著,而全区域玻璃纤维-碳纤维混合铺层叶片也可以获得较显著的弯扭耦合效应。     

柔性风力机叶片主梁弯扭耦合设计

文中探讨了利用偏轴混杂纤维来实现1.5MW风力机叶片主梁弯扭耦合的设计方法,建立了弯扭耦合设计的控制系数,并就碳纤维偏轴角和碳纤维偏轴体积比对弯扭耦合系数的影响进行了分析.理论推导表明弯扭耦合效应只与铺层材料有关.仿真结果表明:采用偏轴混杂纤维梁帽或蒙皮均能达到较好的弯扭耦合性能,且梁帽的最佳设计角在20.0°左右,蒙皮的最佳设计角在13.0°左右;在纤维拉伸和压缩应变、层间切应力、层面Von Mises的约束下,碳纤维偏轴角为20.0°和碳纤维偏轴体积比为45%时的主梁静态性能最优.     

复合材料板弯扭耦合特性数值模拟

为研究复合材料风机叶片弯扭耦合特性,将风机叶片简化为对称非均匀复合材料层合板,研究不同的耦合区域对弯扭耦合效应的影响.在复合材料层合板不同区域对称铺设相同纤维角度的增强板.分析在集中静力荷栽作用下,层合板的静态弯扭耦合特性;结合模态分析方法,利用模态置信准则(MAC),定量分析不同位置耦合层合板的弯扭耦合动态效应.结果...     

剪弯耦合对非对称角叠层曲板稳定性的影响

用动态松弛法研究了剪弯耦合对四边承受均匀剪力的复合材料非对称角铺设叠层圆柱微曲板稳定性的影响，讨论了铺层顺序、曲率、边界条件及剪力方向所引起的效应。结果表明，耦合系数Ｂ１６、Ｂ２６的正负符号与绝对值对板的稳定性的影响是十分显著的。     

基于参数建模的风力机预弯叶片结构优化设计

风力机预弯叶片的弯曲型线和铺层结构设计之间存在着耦合关系.为了实现叶片预弯型线和铺层结构的一体化设计,提出一种预弯型线和铺层结构的参数化表达方法,并通过实例验证了叶片有限元参数化建模分析方法的正确性;构建了预弯叶片弯曲型线和铺层结构的一体化优化设计模型,采用粒子群算法,以叶片的质量最小为优化目标,在满足材料强度、叶尖最大变形、振动频率的约束条件下,对某低风速850k W非预弯叶片进行预弯及铺层层数优化设计.优化结果显示,优化叶片在满足设计约束的条件下重量减少了15.26%,验证了文中提出的预弯叶片弯曲型线及铺层结构协同优化设计方法的正确性.     

基于等效耦合刚度的平面折展滑块机构分析

柔性铰链是实现平面折展柔顺机构运动的关键部分。如何设计得到柔度好、精度高的柔性铰链一直是柔顺机构研究的关键问题。综合考虑影响平面折展机构铰链刚度和精度特性的等效弯扭及拉压刚度,以LET铰链为例,分析在不同载荷下各个参数对弯扭与拉压等效耦合刚度的影响趋势,从而提出弯扭与拉压等效耦合刚度的概念。通过大量的实例计算和分析,推导出LET铰链弯扭与拉压等效耦合刚度的经验公式。基于等效耦合刚度经验公式,对平面折展柔顺滑块机构进行分析。应用等效耦合刚度公式与不应用等效耦合刚度公式两种情况的分析结果和有限元仿真结果表明,应用等效耦合刚度经验公式的滑块位移计算精度得到很大的提高,验证了等效耦合刚度经验公式的适用性。     

风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析

基于风力机塔架-叶片耦合模型,采用改进的叶素-动量理论模拟了考虑平稳风修正、叶片旋转效应和空间相干性的风力机气动载荷,并基于有限元方法对该耦合模型进行了动力特性分析和风致响应时域计算.基于目标响应时程探讨了风力机塔架-叶片耦合系统在随机风荷载作用下的动力响应特性,并与不考虑叶片影响的风力机塔架风致响应进行对比分析.研究表明,在进行风力机的抗风设计时,应该考虑塔架-叶片的耦合作用.     

基于流固耦合的风力发电机结构特性分析

风力机结构尺寸的增大会导致气动载荷效应的作用更加明显,因此,采用流固耦合分析技术来研究气动载荷效应对风力发电机结构的影响。采用ANSYS Workbench软件搭建了流固耦合分析系统,经过流固耦合分析得到了不同风速下风力机周围气流分布规律、风力机表面压力分布规律、风力机变形和应力分布规律、风速与风力机叶片应力和变形之间的波动规律;仿真分析了考虑流固耦合与不考虑流固耦合两种情况下风力机的模态振型,为风力发电机的结构设计提供一定的理论参考。     

压电非均衡复合材料变形有限元分析

利用基于一阶剪切层合板理论的四节点矩形压电层合板板有限单元，分析了在外载荷和驱动电压相同的情况下,五种不同铺层形式的压电复合材料变形的规律；同时对压电非均衡复合材料中弯-扭耦合系数对其变形规律的影响进行了初步的研究。研究结果对今后设计压电非均衡复合材料具有一定的指导意义。     

腹板铺层参数对风力机叶片结构性能的影响

为研究腹板铺层参数对风力机叶片结构性能的影响。以某1.5 MW水平轴风力机叶片为研究对象,基于有限元分析方法,利用ANSYS软件中梁单元模拟腹板铺层,保持叶片前缘、后缘以及梁帽的铺层形式不变,通过改变腹板铺层角度、顺序和不同铺层角度的层数占整个铺层层数的比例,得到多种研究方案,并对不同方案时的叶片进行模态分析。结果表明:腹板±45°铺层较其他铺层角度能够更好的承受剪切载荷;腹板铺层角度应以±45°为主,且±45°铺层占整个铺层的58%左右时叶片结构性能最好;为了减小各层之间的剪切应力,应避免0°铺层和90°铺层连续铺放。     

铺层角度对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度的影响

为了准确计算复合材料等效刚度,指导复合材料设计过程中铺层角度的选择。该文基于经典层合板理论,建立了考虑拉剪耦合效应的三维层合板等效刚度计算方法。基于该方法对碳纤维/环氧树脂基复合材料板等效刚度随铺层角的变化趋势进行了分析,结果显示:随着铺层角θ_1的增加,铺层方式为(θ_1)_(25)/(θ_2)_(25)的层合板的面内轴向刚度E_x、横向刚度E_y的变化曲线包含变化率显著不同的两个阶段;法向刚度E_z呈正弦变化趋势且当正交铺层时有最大值;面内剪切刚度G_(xy)在θ_1=45°且θ_2=135°时有最大值;面外剪切刚度G_(xz)和G_(yz)变化曲线关于θ_2=90°对称。通过比较层合板与单向板等效刚度发现,选择合适的铺层角度组合能够有效提高结构的法向刚度和面内剪切刚度。     

固定式刚性联轴器不对中弯扭耦合振动特性

以水轮发电机组固定式刚性联轴器平行不对中故障为研究对象,从动力学角度推导不对中机理,建立平行不对中弯扭耦合振动微分方程.基于该微分方程,理论上分析了弯振、扭振之间的相互影响;从转速、质量偏心、不对中量和阻尼系数等几方面进行弯扭耦合振动数值仿真.仿真计算表明:弯振与扭振通过固结于转子的偏心质量相互耦合;弯振主要包含工频成分,不对中越严重,工频所占比例越大.扭振包括极大的直流分量和少量倍频成分,过大的直流分量对机组安全不利.     

偏航条件下大型风机的流固耦合分析

流固耦合条件下叶片变形和振动的分析对于大型叶片的安全至关重要。基于叶素动量理论和Euler-Bernoulli梁的有限元建立大型风机双向流固耦合数值模型,用偏航修正、叶尖轮毂的非定常叶素动量理论计算风力机的气动载荷;通过2结点12自由度空间梁单元作为结构动力分析的基本模型,结合两套理论建立可以快速分析风力机叶片流固耦合作用下的输出特性和振动特性。通过对NREL 5 MW大型风力机计算的对比和分析,验证了方法的可行性并得到在流固耦合作用下风力机输出特性曲线和叶片结构变形。证明在风力机叶轮工作状态叶片发生振动,而且在偏航情况下,叶轮的功率输出和推力输出产生周期性波动。     

齿轮—转子—轴承系统弯扭耦合振动模型研究

总结了齿轮－转子－轴承系统弯扭耦合振动的耦合模型，指明了它们之间的内在关系通过计入齿轮啮合线瞬时位置的变化对齿轮间动态啮合力的影响，建立了更加合理、更加精细的弯扭耦合模型，以前的弯扭耦合模型只是文章中新模型的新例，可由新模型退化得到。     

考虑耦合效应的水平轴风力机有限元建模与变形行为分析

为实现对风力机结构变形的实时求解、分析风力机控制过程对结构的影响,构建了考虑风力机气弹耦合效应的有限元模型.模型充分考虑了风力机诸如主轴倾角、风轮预装锥角以及变桨和偏航机构的结构特点.本文分析了离心软化,应力刚化以及风力机控制过程对风力机结构的影响,并对风力机结构问题的求解方法进行了对比研究.结果表明:应使用LDLt方法求解由风力机塔根与叶尖刚度巨大差异所引起的病态问题;应力刚化效应对风力机叶尖变形量及拍打模态的频率有较大影响;本文模型很好地模拟了风力机受阶跃载荷时的旋转动态非线性变形,并模拟了变桨过程引起的风力机叶片拍打方向的刚度增大.     

不对称人造板的结构设计

从复合材料力学理论出发,建立了不对称人造板耦合刚度矩阵计算模型,讨论了耦合刚度系数B11、B22与板坯翘曲度的关系,分析了板坯层数、铺层顺序和铺设方向等对板坯耦合效应的影响。结果表明:板坯耦合刚度矩阵B中各元素绝对值越大,其翘曲度越大;在B矩阵中,系数B11和B22值对板坯翘曲度影响较大。可以通过改变板的层数、铺层顺序及铺设方向等因素来进行不对称人造板的结构设计,减少板坯的翘曲度。     

风力机叶片共固化层合结构阻尼抑颤分析

针对大型风力机叶片的颤振问题,将共固化粘弹复合材料层合结构应用于风力机叶片。首先,建立了共固化阻尼叶片三维有限元模型,通过计算某型1.5 MW风力机叶片关键模态的应变能分布情况,确定了阻尼层的铺敷位置。然后,基于模态应变能法参数化分析了阻尼层厚度与复合材料偏轴纤维角对结构固有频率及模态损耗因子的影响。最后,通过Newmark直接积分法对原叶片及阻尼叶片在额定风速下的动态响应进行了仿真对比,验证了共固化层合阻尼叶片的抑颤效果。     

薄壁结构加强筋弯扭耦耦合屈曲分析

用能量法分析了面内受压的薄壁加强艋弯扭耦合屈曲， 柔性腹板加强筋和刚性腹板加强艋以及不同结构形式加强筋弯扭耦合掘曲特性，并考虑了截面变形和板后屈曲的影响。     

泛函分析思想在新型风力机叶片设计中的应用

考虑法向力和切向力的叶尖损失,推导并给出了一种改进的风力机轴向和周向因子的计算模型。结合最新设计的高性能风力机专用翼型系列,利用泛函分析方法,研究了风力机叶片展向弦长及扭角分布的泛函表达方法,提出一种新的通用叶片形状的广义泛函方程;考虑实际风场风速的概率分布,空气密度及工业界对风力机叶片的气动与结构设计要求,分别以定速运行方式和变速运行方式下风力机叶轮年发电量输出最大化为目标,以叶片展向分布函数系数为设计变量,建立了2.3MW风力机叶片优化设计数学模型;优化得到2组性能优越的风力机叶片。新叶片的捕风效率和年发电量都远远高于传统风力机叶片,其中,所设计定速叶片最大功率系数达到0.515 7,变速叶片最大功率系数达到0.517 7。     

内倾式双主缆悬索桥动力特性及颤振性能研究

通过减小主跨为1 708m悬索桥的主缆间距,分析了内倾式双主缆体系的动力特性和颤振性能.动力特性计算发现:减小主缆间距,能在维持竖弯基频的基础上有效提高扭转基频;附加的侧弯-扭转耦合振型在两个自由度上的等效质量均较小,且频率介于竖弯、扭转基频之间.为说明该振型的侧弯-扭转强耦合效应对颤振稳定性的影响,分别基于二维两自由度和三维全自由度状态空间方法对比分析了颤振性能.二维结果显示,小主缆间距时侧弯-扭转耦合振型较常规纯扭振型对颤振更不利;三维分析显示,主缆间距较小时,上述耦合振型参与程度较高,反之,纯扭振型参与较多,同时第二阶竖弯振型作用明显.结果表明:内倾式双主缆体系悬索桥的颤振稳定性受多振型影响,传统二维两自由度分析结果可能不安全,有必要进行三维全自由度颤振分析.