10海上固定式风力机塔架动力学和气动阻尼研究_潘易宇.pdf

1、海上固定式风力机海上固定式风力机塔架动力学塔架动力学和气动阻和气动阻尼研究尼研究潘易宇潘易宇指导老师指导老师汕头大学硕士研究生汕头大学硕士研究生孙敬伟孙敬伟目录目录结构建模结构建模研究背景研究背景1外载荷建模外载荷建模23动态响应分析动态响应分析4气动阻尼分析气动阻尼分析53风电机组大型化发展风机尺寸增大长柔叶片和塔架复杂海上环境多种类型的基础支撑超长柔性结构结构复杂海上多样载荷所处环境风、浪、流等共同作用气动阻尼分析外载荷建模研究背景结构建模现代风电叶片动态响应分析结构有限元建模结构有限元建模基于小变形假设小变形假设和和平截面平截面假设假设，认为横截面变形前后始终与中性轴垂直垂直欧拉伯努利梁

2、采用小变形假设，小变形假设，由于剪切变形的影响，截面法线不再与梁轴线的切线重合，考虑梁的转动惯量与剪切变形的影响，适用于粗短梁采用平截面假设平截面假设，但并未采用小变形假设。其通过三维有限转动理论，精确描述截面运动，算力要求大，收敛性差铁木辛柯梁几何精确梁气动阻尼分析外载荷建模研究背景结构建模动态响应分析参考对象参考对象DTU10MWDTU10MW样机样机89.166m119mDTU 10MW样机参数数值切入风速4 m/s切出风速25 m/s额定风速11.4 m/s叶片数3风轮直径178.3 m机舱直径5.6 m机舱高度119 m最小风轮转速6.0 rpm最大风轮转速9.6 rpm风轮质量22

3、7962 kg机舱质量446036 kg塔架质量628442 kg展望塔架动力学建模研究背景叶片动力学建模气动阻尼分析外载荷建模研究背景结构建模动态响应分析结构有限元建模结构有限元建模展望塔架动力学建模研究背景叶片动力学建模结构有限元离散22cossinXFbCbEIEIEI22sincosYFbCbEIEIEI气动阻尼分析外载荷建模研究背景结构建模动态响应分析结构有限元建模结构有限元建模展望塔架动力学建模研究背景叶片动力学建模Oxy 1u1v12u2v2中性轴中性轴 12323425610000001 000123aauxauvxxxMaaxxaa 000123121100000001000

4、000100 10000001000123euvuCaulvlllll 1 eeuMCuNu 10022222TueeTvdudNdxdxuBud vd Nyydxdx 00 eeD BuSu 3232220323222000012612600646200k000012612600626400eEAEAllEIEIEIEIllllEIEIEIEIllllEAEAllEIEIEIEIllllEIEIEIEIllll线性欧拉梁气动阻尼分析外载荷建模研究背景结构建模动态响应分析梁单元位移描述梁单元节点边界条件联立所得位移场应变场和应力场基于虚功原理推导刚度矩阵结构有限元建模结构有限元建模展望塔架动力

5、学建模研究背景叶片动力学建模 中性轴中性轴Oxy 2323232310000 01 32(2)032()xyeuuuull 12221212222dd11yN NM MM MM Nu 21d2yud 201d2xyu 202222232323231d216()(143)6()(23)01 32(2)032()xyxyeuuuullull 021022221()201()20yxyydudxdududxdxd uydx0L 00000()TeTVVeTTTLLLLVVVeeLBdVBD B dVuBD B dVBD B dVBD B dVukuku气动阻尼分析外载荷建模研究背景结构建模动态响应分

6、析泰勒展开沿长度积分轴向位移变化量修正位移场Green应变场：线性+非线性刚度矩阵：线性+非线性非线性欧拉梁结构有限元建模结构有限元建模展望塔架动力学建模研究背景叶片动力学建模 1021102111xxyyarctan(yx)uuvv eqqT cossin0000sincos0000001000000cossin0000sincos0000001T 11222201101102200()()uvvullxyl 气动阻尼分析外载荷建模研究背景结构建模动态响应分析单元全局坐标系下的变量表达局部坐标与全局坐标的转换坐标变换矩阵共旋坐标系局部坐标系下的变量表达载荷和诱导因子计算载荷和诱导因子计算d动