河西地区风况下风力机叶片的刚柔耦合颤振动力学问题研究

Wind turbine flexible rotating blade could easily cause flutter because of lateral torsional coupling transformation and aerolastic function under complicated working conditions. Its complex alternative stress would lead to the blade crack initiation and fracture of the blade, which directly threats the reliability of wind turbines’operation. Flutter is the bottleneck problem which needs to be solved urgently to improve modern wind turbine. which has complex structures including several layers of composite materials with shear webs. It is essential but also inherently difficult to accurately and rapidly calculate the cross-sectional properties of a complex composite blade for the structural dynamics and aeroelasticity analysisof the blade. It is about to establish the mathematical modeling of blade’s loading with loading, the mathematical modeling of aerodynamic and structure coupling; control dynamic behaviors in structure design of large blade and optimize the structure; calculate the critical flutter wind speed of blade under multi-degree of freedom coupling,then to study data interaction mechanism of nonlinear analysis between aerodynamic exciting force distribution model and structure model. The sectional properties of composite blades has been developed by incorporating classical lamination theory with extended Bredt-Batho shear ow theory. The mathematical model considers the shear web effects andwarping effects of composite blades thus greatly improves the accuracy of torsional stiffness calculation. It provide theoretical basis for blade structure design to solve very large wind turbine under complex conditions of potential dynamic instability problems. . This study belongs to the mechanical system dynamics, aerodynamics, structural dynamics, structural design theory and method of interdisci-plinarity. It play an important basic role to establish theoretical system of wind turbine blade dynamic design in our country.

针对大型风力机柔性叶片受空气动力学和结构动力学强耦合作用导致的颤振问题，拟对河西地区风况下工作的大型风力机柔性叶片的动力学设计问题研究，在构造出新型复杂环境风载荷数学模型的基础上，建立叶片复合材料结构在非定常气动力作用下的刚柔耦合动力学数学模型，并进行数值仿真求解，进而探索叶片环境载荷、形状特征与叶片结构之间相互耦合作用机理，揭示多自由度耦合作用下风力机叶片颤振变化规律，解决风力机叶片气动弹性不稳定性问题，预期目标是解决复杂风况下超大型叶片的潜在动态不稳定性问题。欲为我国兆瓦级风力机组叶片区域化设计提供理论参考依据。. 本项目属机械系统动力学、工程热物理、空气动力学、弹性结构动力学多学科交叉复杂问题。它对建立我国风力机叶片动力学设计的理论体系，有重要基础作用。

针对大型风力机柔性叶片受空气动力学和结构动力学强耦合作用导致的颤振问题，对河西地区风况下工作的大型风力机柔性叶片的动力学设计问题研究，大型风力机风轮气弹效应对叶片结构的影响作用，对叶片结构优化设计的理论模型建模方法进行研究。首先，对河西地区风力三维空间分布的风特性数值模拟与重构，研究叶片截面各自由度的刚度及阻尼参数对动力学特性的影响 截面扭转运动及外形变化的几何模型 并确定分析算法对风力机叶片旋转过程中的动态响应规律进行仿真计算模拟；其次，研究风力机叶片数学模型的动态响应数据分析结果的显示方法，采用叶素动量理论和梁理论，并结合遗传算法，将叶片各截面弦长、扭角和铺层厚度3个形状参数作为优化设计的变量，提出一种以叶片最小重量作为结构优化设计目标的理论模型。对优化前后叶片的3个形状参数与风力机功率特性间关系进行的计算分析表明，考虑叶片气弹变形的影响作用不仅能提高风轮的风能利用系数，且能减小叶片的截面质量线密度，进而降低叶片的制造成本；研究垂直风切变环境下风电场的风速概率分布及其可用度评估方法。利用幂律过程描述风切变，根据10m标准高度观测的风速序列外推得到60m高度的风速序列；以两参数Weibull分布拟合两个高度上的风速分布，采用最小二乘法、极大似然估计法及改进极大似然估计法求解模型参数；计算两个高度上的风速分布和主要风能指标。基于实例，通过拟合优度分析及风能指标的对比，验证所提出方法的合理性和有效性。极大似然估计法及改进极大似然估计法优于最小二乘法；风切变导致不同高度风速分布变化；针对大型水平轴风力机塔架结构优化过程中主要影响要素不显著问题，以塔架塔顶与机舱底座连接处为研究对象，采用均匀设计法对连接处2要素（厚度、高度）进行静强度试验设计并进行数值仿真模拟。研究结果表明：塔架最大变形值与最大应力值与连接处2要素（厚度、高度）呈线性与双曲抛物面函数关系，其中高度变化较厚度变化对塔架的应力值变化影响更大，优化塔顶结构参数后比原塔架最大应力值减小，最大位移值减少，质量降低，该研究为风力机塔架多目标结构优化设计提供理论依据。是需尽快引起关于机械系统动力学方向关注的新型基础性课题。