大型风力机叶片动态响应与模态分析

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随着风力发电机技术的发展,风力机的单机容量从早期的几百千瓦增加到如今的5兆瓦。相应的风轮直径也从现代风力机技术发展早期的20m增加到目前的超过100m。随着风轮直径的增加,叶片作为一个长细结构,最为显著的特点就是柔性增加。对于柔性长叶片来说,即使不考虑共振的因素,随机气动力也会导致叶片形状的动态改变。研究柔性长叶片在随机气动力作用下的结构动态响应对风电技术的持续发展具有重大意义。  本文根据风力机叶片的空气动力特性和风力机基本设计理论,通过分析作用在叶片上的各种载荷,为风力机叶片的设计和结构动力响应分析提供计算基础。  本文通过Matlab编程软件分别设计一个长度为48m的5MW级别水平轴风力机叶片和仿真模拟了一个时长为120s的湍流风以供后面研究分析。再通过有限元分析软件ANSYS对叶片进行了模拟计算,分别研究了叶片的前五阶振动模态和在静力条件下的位移应变情况,重点考虑了大变形对叶片的动态响应的影响。  通过模态分析可以知道,叶片主要振动为挥舞和摆振振动,扭转振动基本可以忽略。在考虑大变形情况下,叶片尖端在挥舞方向的位移相对于仅考虑线性特性时有微小的变化,而且随着安装角的旋转其位移减少。
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