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叶片是风电机组的关键部件,其结构性能的优劣对风电机组的良好运行起着至关重要的作用,而建立合理的叶片结构动力学模型是其结构动态响应分析和优化设计的前提。因此,在阅读大量国内外文献的基础上,针对目前建模过程中忽略剪切变形的问题,本研究以刚性轮毂和旋转叶片组成的子系统为研究对象,采用将轮毂假设为刚性圆盘、叶片假设为柔性悬臂梁的简化方法,对子系统的动力学建模方法、结构动态响应及稳定性问题开展的研究工作内容与取得的研究结论情况如下: (1)建立了旋转叶片子系统的动力学模型。在考虑叶片的旋转运动与弹性变形间的耦合以及离心力作用的基础上,计入剪切变形引起的附加位移的影响,运用Hamilton原理建立旋转叶片子系统的动力学模型。针对动力学方程求解困难的问题,运用有限元方法中修正的欧拉梁理论模型,建立叶片的离散动力学方程。 (2)分析了叶片的结构动态特性。基于 Newmark数值数值积分法在 matlab软件中编制程序,求解旋转叶片的刚柔耦合动力学方程,探讨剪切变形引起的附加位移、叶片的旋转运动与弹性变形的耦合及离心力对叶片结构动态特性的影响。以河西地区某风场1.2MW风电机组为例,仿真其在湍流风场下的运行状况,获得其动态响应规律。结果表明:叶片的刚柔耦合作用和横向剪切应变对其结构动态特性都有较大影响,前者导致叶片的固有频率增大,后者则使得叶片的固有频率减小;在时变载荷作用下,考虑剪切变形影响时得到的叶片振动幅值比不考虑剪切变形影响时会平均增大7.5%。 (3)研究了叶片在极端工况下的稳定性问题。通过 b lade软件计算叶片的极限载荷,运用叶片国家标准,采用数据拟合的方式求得叶片的分布力载荷,并且在a nsys软件中以此为计算载荷施加在叶片的有限元模型上,分析计算叶片的失稳因子和屈曲模态。分析表明:在叶根以及距离叶根15 m处叶片容易发生失稳,失稳形态多为凹凸,并且随着载荷的增加,凹凸个数也逐渐增多。 研究所得结论为叶片的优化设计和结构校核提供参考,但是在建模过程中只考虑了结构阻尼,忽略了气动阻尼的影响,动力学模型还需进一步完善。