大型風力機非線性動力學及其最佳化設計理論研究

《大型風力機非線性動力學及其最佳化設計理論研究》是依託汕頭大學，由劉雄擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大型風力機非線性動力學及其最佳化設計理論研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉雄
• 依託單位：汕頭大學

項目摘要

傳統的風力機動力學分析方法建立在基於葉素-動量理論的空氣動力學模型與基於小變形假設的結構動力學模型之上。現代風力機向著大型化和柔性化的方向發展，其柔性部件工作時發生大尺度的變形和振動，傳統分析方法已不能勝任此時產生的複雜非線性動力學效應的分析。申請項目擬利用在風力機空氣動力學與結構動力學方面取得的前期研究成果，結合理論分析、風洞試驗與CFD 方法，研究柔性葉片在振動和變形時的非線性氣動特性，採用非線性梁理論與多體系統理論，研究考慮柔性部件結構非線性時的機組結構動力回響特性，並實現考慮氣動與結構相互作用的流固耦合動力學分析方法。在此基礎上，建立綜合考慮氣動性能、動態載荷特性、結構拓撲特性、結構強度和疲勞特性，適應風力機大型化發展趨勢的葉片多學科最佳化設計理論與方法。項目的成功實施，可以為新一代大型風力機的動力學分析與自主設計提供理論基礎與設計指導，具有重要的理論意義與套用價值。

結題摘要

項目針對大型風力機在運行過程中葉片和塔架會產生較大變形和振動的特點，考慮傳統風力機動力學分析方法建立在葉素-動量理論的空氣動力學模型與基於小變形假設的結構動力學模型之上的缺點，研究了機組柔性部件的變形和振動引起的空氣動力的變化以及對於機組部件生命周期疲勞載荷的影響，在此基礎上實現了風力機的整機載荷計算模型。基於整機載荷分析模型，結合葉片的結構特性分析及強度分析有限元模型，實現了葉片的多學科最佳化設計模型，用於在滿足氣動性能和結構強度的要求下，設計出更輕質的葉片以降低成本。 項目首次探索了柔性葉片的變形對於葉片氣動阻尼的影響，研究結果對於開發大型風力機動力學分析程式和整機穩定性分析具有一定的指導意義和參考價值。首次探索了翼型在複合運動下的動態氣動特性，並以此為基礎提出了對於葉素動量理論的修正；首次比較了不考慮葉片振動速度和考慮葉片振動速度下的葉片生命周期疲勞載荷的計算差異，研究結果對於葉片的安全設計具有較重要的意義。項目實現了兩種塔架氣動阻尼的計算方法，並首次比較了兩種塔架氣動阻尼計算方法對於塔架生命周期疲勞載荷計算的影響,研究結果對於指導塔架的安全設計也具有較重要的意義。 項目提出了對於Beddoes-Leishman動態失速模型的修正方法，對於風力機翼型，修正方法可以獲得更好的計算結果，這有助於開發更精確的氣動計算程式。項目探索了綜合考慮氣動和結構的葉片最佳化設計方法並實現了最佳化設計程式。採用該方法可以在保證氣動性能和結構強度的要求下，實現質量的降低。這對於實現葉片更最佳化的設計製造具有較重要的參考價值。