基于致动线方法的5 MW海上风力机气动弹性分析

随着风力机功率的不断增大以及新型复合材料的应用,叶片的柔性和几何非线性变形成为风力机设计中不可忽略的因素,结构和气动弹性的分析也随之变得更加复杂。然而,风能行业中传统的叶片分析方法无法准确预测现代复杂叶片的气动弹性特性,从而导致风力机性能预测出现较大误差。本文基于柔性多体动力学,建立了一种新型双向流固耦合模型,在结合致动线方法和大涡模拟的基础上,考虑了结构和气动弹性对风力机性能的影响,可用于动态结构载荷预测及流固耦合分析。对5 MW基准风力机进行建模,验证了计算模型的准确性,并讨论了叶片的瞬时结构响应,分析了叶片变形对风力机功率、尾迹的影响。研究结果表明,叶片的柔性在风力机气动弹性设计中不可忽略,同时本文模型可以准确捕捉风力机的尾迹结构（包括叶尖涡和叶根涡）,更适用于现代兆瓦级复合材料风力机气动弹性和尾迹分析。     

风力机柔性叶片振动变形对其气动阻尼的影响分析

为了研究大型水平轴风力机柔性叶片的振动变形对其气动阻尼的影响,用叶素动量理论计算了风力机叶片气动力,用有限元法计算了结构动力响应,基于能量损失法建立了风力机的气动阻尼分析模型.重点分析了叶片振动扭角、挥舞倾角、摆振倾角对攻角的影响,考虑了挥舞速度,摆振速度对入流速度、入流角的影响.以某5MW海上风力机为例,分析计算了风力机整个叶片的气动阻尼.结果表明挥舞倾角、扭角对挥舞方向气动阻尼影响较大,会使其减小;摆振倾角对摆振方向气动阻尼的影响较大,会使其增大;振动变形对气动阻尼沿叶片的分布没有影响.     

柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合静、动态特性

高空长航时(HALE)飞机结构细长、具有柔性,在常规飞行条件下可发生结构大变形、气动失速以及结构低频振动与刚体运动耦合,这些现象显著影响其静、动态特性.基于几何精确完全本征运动梁模型、ONERA动失速气动力模型和六自由度刚体运动模型,建立了考虑几何非线性、动失速和材料各向异性等因素的大展弦比柔性飞机非线性气动弹性与飞行...     

大型风力机气动弹性响应计算研究

发展了一套快速预测风力机动态响应的分析方法.针对南京航空航天大学设计的兆瓦级大型风力机叶片NH1500,按照工程梁方法对叶片及塔架结构进行简化,生成有限元梁模型.根据动量叶素理论编写气动力程序,为有限元模型提供气动载荷,从而完成时域情况下风力机的响应计算.最后,分析了叶片的几何非线性效应对响应的影响规律.     

基于本征方程的柔性机翼非线性颤振分析

柔性机翼在气动载荷作用下常常会产生较大的变形,颤振特性会随之发生变化,针对此问题线性理论常常难以进行合理的预测。以几何精确本征梁模型建立了机翼的运动方程,耦合ONERA-EDlin非线性气动模型,建立了柔性机翼的非线性气动弹性分析模型。利用Newton-Raphson和Backward-Differentiation-Formula(BDF)分别求解机翼的静态变形和动态响应,基于机翼平衡位置附近的线性化方程来判断系统的稳定性,进而确定颤振临界速度。通过算例验证了模型的准确性,并分析了不同刚度、后掠角、机翼安装角等参数对颤振速度的影响。     

基于风洞试验15 MW风力机叶片颤振后形态与能量图谱研究

现有风力机叶片颤振分析大多关注颤振临界状态预测,忽略了非线性更为显著的颤振后形态和能量耗散。本文基于变分渐进梁截面法设计了新型超长柔性叶片气动-刚度-质量映射一体化三维弹性模型,采用高速摄像技术和高频六分量天平进行了同步测振、测力风洞试验,分析了风力机叶片颤振敏感风向区间与临界风速组合规律,最后基于叶尖风振响应、气动阻尼和能量,系统研究了风振敏感工况风振响应下风力机叶片能量演变规律和颤振临界风速后的形态特性,揭示了风力机叶片颤振后能量耗散机制。研究表明：提出的风力机叶片弹性模型设计和试验方法能有效模拟结构动力性能与颤振行为;风力机叶片的桨距角93°～96°和284°～286°区间属于风振敏感区间,在该区间内超过临界风速即可发生大幅锁频振动;存在能量积累突变界线,超过该界线对应风速后的能量积累尤为显著,表现出风致振动能量随时间呈现显著的非平稳特性;颤振后气动负阻尼是结构系统发散的主要原因。     

低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应

建立了一个新的非线性气动弹性模型,对低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应特性进行了分析。建模中考虑了结构几何非线性、气动力非线性以及两者之间的强耦合效应。通过实验数据对所建立的气动弹性模型进行了验证。发现在低速流场中柔性悬臂板可能会以周期加倍的方式进入混沌运动。结构几何非线性效应和翼尖涡引起的非定常气动力效应对柔性悬臂板的结构响应有显著影响,而尾涡变形引起的非定常气动力对结构运动的影响较小。还研究了不同耦合算法的差异,给出了小展弦比大柔性结构非线性气动弹性数值仿真时耦合策略的选择依据。     

基于涡尾迹方法的风力机载荷与响应计算

采用涡尾迹方法计算准定常气动性能,结合Leishman-Beddoes动态失速模型计算叶片的非定常气动力。应用有限元分析软件,分析风力机在不同转速下的风轮模态,塔架的前后、左右振动模态。基于非定常气动力和结构振动模态,针对风力机风轮,建立其结构运动方程。求解出的叶片振动速度加入到非定常气动力的计算中,从而建立了考虑叶片振动的风力机载荷、响应计算模型。分析了Phase VI叶片和某1.5MW风力机各个叶片截面的气动力、振动位移和振动速度随时间的响应曲线,表明该方法能够较好地计算出风力机的气动性能、载荷和响应。     

刚性模型风洞试验确定大跨屋盖结构风振系数的多阶模态力法

风流经过大跨屋面时,由于气流分离在屋面的大部分区域产生强大的吸力,并引起柔性屋面结构的振动,因此大跨屋面结构抗风设计需考虑风振响应和风振系数.本文根据振型迭加原理,提出了利用刚性模型风洞试验确定大跨度柔性屋盖结构风振响应和风振系数的多阶模态力法,并推导了风振响应和风振系数的计算公式.该方法可以考虑高阶振型的贡献.通过与气动弹性模型风洞试验结果以及直接时程法相对比,发现多阶模态力法能够得出令人满意的结果.     

风力机叶片旋转平面内弯曲对动力学响应的影响

采用变分渐近梁截面分析方法(VABS)精确计算旋转平面内弯曲的复合材料叶片截面特性,耦合空间一维Euler-Bernoulli梁模型,分析了不同弯曲幅度对考虑弯扭耦合特性的风力机叶片动力学性能的影响。并采用非定常叶素动量理论,考虑动态入流和动态失速模型求解叶片的气动载荷,分析了叶片前掠和后掠在相同控制策略时各风速下对气动功率的影响,以及在极端阵风条件下的气动弹性响应情况。结果表明叶片弯曲对截面特性和前几阶的固有频率的影响较小,但在扭转方向具有较大影响。同时在相同控制策略下,叶片后掠会使风力机的功率降低,但能有效降低极端阵风下的载荷波动。     

柔性风轮的动态入流效应研究

基于BEM修正模型和Pitt-Peter模型,推导出非定常流下的动态入流模型.利用四阶Runge-Kutta法求解动态入流模型中的一阶微分方程.考虑大型机组柔性叶片工作过程中发生大尺度变形的特点,加入柔性结构变形对动态入流模型的反馈.分别研究风力机在风剪、风湍流、偏航、叶片桨距角和风轮转速变化过程中的诱导因子的渐变机理.运用MATLAB进行编程,对某5MW风力机进行动态诱导因子计算,建立起诱导因子的动态描述,得到适合柔性叶片翼型的动态入流模型及分析方法.通过对比几种不同模型的计算结果,验证了加柔性结构反馈的动态入流模型的正确性和实用性.     

柔性梁刚度对无轴承旋翼桨叶动态特性的影响

推导了桨叶的应变-位移关系,应用Hamiton原理建立了多路传力的无轴承旋翼桨叶运动的有限元方程,考虑了桨叶、柔性梁、扭矩套的位移协调条件和非线性变形耦合及摆振销的影响,并构造了一个新的15自由度梁单元,得到了旋翼桨叶固有频率求解的方程,重点研究了柔性梁刚度特性对旋翼桨叶固有频率的影响。数值结果表明：柔性梁剖面的模态刚度发生变化时,模态频率变化较小,高阶模态频率变化比低阶大,其它模态频率变化很小,耦合现象不明显。     

直升机的气动弹性问题

直升机的气动弹性问题与固定翼飞机不同,不仅要考虑单片桨叶,更要将旋翼视为一个整体,考虑其动态入流、尾迹影响以及旋翼与机身之间的相互耦合等。就单片桨叶而言,在结构动力学上,需要考虑离心力场、几何非线性以及桨叶的非线性挥舞-摆振-扭转耦合;在气动力上,需要考虑动态入流以及桨尖处可能的失速效应,本质上属于非线性气动弹性力学范畴。由于旋翼气动力通常是以周期形式通过旋翼轴传给机身,并引起机身振动,而机身运动又通过改变桨叶根部形态反过来影响旋翼的气动弹性特性,这种旋翼/机身耦合问题,也是近年来直升机气动弹性问题研究中的重要方向和热点之一。此外,随着旋翼流场数值分析方法的日趋成熟,采用动态重叠网格或滑移网格方法来实现桨叶运动,并通过动网格技术来实现桨叶的弹性变形,从而实现弹性旋翼流场的数值模拟,目前正呈现出勃勃生机,成为直升机气动弹性研究的又一重要方向和热点。随着各种新构型直升机的相继出现,如倾转旋翼机、前行桨叶概念旋翼(ABC)直升机和复合式直升机等,也带来了新的气动弹性问题。不断发现问题、解决问题,推动本学科持续发展,永远是气动弹性工作者终身奋斗的目标。     

侧向随动力作用下大展弦比柔性机翼的稳定性

 随动力能够诱发弹性结构发生颤振失稳。以侧向随动力和集中质量分别模拟发动机推力和外挂质量,考虑机翼垂直弯曲-扭转刚度比、集中质量大小、侧向随动力和集中质量的位置以及机翼后掠角和上反角的影响,研究了受侧向随动力作用的大展弦比柔性机翼的气动弹性稳定性。数值模拟所采用的大展弦比柔性机翼非线性气动弹性模型耦合了几何精确完全本征运动梁模型和ONERA动失速非定常气动力模型,该模型考虑了几何非线性、动失速和材料各向异性。模拟结果表明,侧向随动力对机翼颤振可以具有稳定作用,其具体表现依赖于若干变参数的影响,如：减小机翼垂直弯曲-扭转刚度比;发动机吊舱靠近翼根布置;使发动机推力作用点在法向上与机翼弹性轴靠近;单纯的集中质量避免布置在柔性机翼中部,且布置在机翼弹性轴之前或下方,这些设计或布置均有利于提高带发动机吊舱/有效载荷外挂的柔性机翼的气动弹性稳定性。     

直升机无轴承尾桨柔性梁标定与解耦

本文介绍了一种直升机无轴承尾桨柔性梁标定与解耦技术,该技术能有效地解决无轴承尾桨柔性梁在试验中挥舞弯矩与摆振弯矩的耦合问题,并能有效分离截面上各分项试验载荷,减少其试验误差。     

水平轴风力机叶片气弹建模与响应分析

基于Hamilton原理在惯性系下建立叶片动力学方程。针对风力机预弯叶片,引入上反坐标系描述叶片的预弯变形。叶片结构动力学模型基于中等变形梁理论,引入Hartenberg-Denavit增广转换矩阵,应用5节点18自由度梁单元模型进行叶片离散。翼型气动力计算采用Pierce修正的风机Leishman-Beddoes非定常气动力模型,入流模型采用Suzuki广义动态尾迹入流模型。利用Newmark数值积分方法获得叶片气弹响应的稳态周期解。分别以美国国家可再生能源实验室Phase VI非定常空气动力学实验及其公开的1.5MW风力机叶片为算例计算了有/无预弯叶片的气弹响应,验证了本文所建模型的正确性。     

基于自由涡方法的风轮偏航气动特性研究

采用非线性升力线方法和时间精确自由涡方法,对风切变条件下风轮的偏航气动特性进行了非定常数值模拟。为了改善非线性升力线方法的计算收敛性,提出了基于Newton-Raphson方法的环量方程迭代算法。建立了一种包含粘性涡核并由自由涡面和叶尖涡线构成的改进尾迹模型,可以提高尾迹的计算精度和效率。以NREL Phase VI风力机和Tj?reborg风力机为算例,分别对均匀风和切变风条件下、风轮处于不同偏航角时的气动力进行计算,并与测量值进行了比较。分析了风切变和偏航风对风轮气动特性产生影响的主要因素及风轮气动特性的变化规律。结果表明:计算方法可以有效模拟风切变条件下风轮偏航气动特性;在风切变条件下,偏航会增加叶片扭矩的波动,当风轮处于正偏航角时,叶片挥舞力矩的波动减弱,处于负偏航角时,挥舞力矩波动增强。     

大型风力机复合材料叶片动态特性及气弹稳定性分析

采用参数化建模技术快速建立大型风力机复合材料叶片三维有限元壳模型,并在此基础上对叶片的固有动力学特性进行停机及以额定转速旋转两种工况下的模态分析,其中旋转工况考虑了离心力导致的应力刚化效应和旋转软化效应。通过编制插值程序,将CFD计算所得的叶片表面分布压力,导算到叶片结构计算的有限元壳模型上,并以此为载荷对叶片进行静气弹稳定性分析。以某初步设计的1.5MW风机为例的计算结果表明:在参数化三维壳模型建模基础上进行的模态分析技术与结合CFD的静气弹稳定性分析技术,有利于快速、准确地计算大型复合材料叶片的动态特性、识别叶片结构的薄弱部位,并预测叶片发生局部屈曲的可能性及其发生的位置。     

不同粘弹减摆器连接形式下的旋翼系统气动弹性稳定性分析

建立了粘弹减摆器不同连接形式时的旋翼系统气动弹性稳定性分析模型。旋翼动力学模型考虑了非定常空气动力和桨叶挥舞/摆振运动的耦合。采用基于复模量的非线性VKS改进模型,建立叶间粘弹减摆器和普通连接粘弹减摆器的力矩方程。分别采用特征分析法及时域分析法计算了普通连接形式和叶间连接形式的直升机旋翼系统的动稳定性。通过对工程实例的分析计算,得出了一些有意义的结论。     

高空太阳能无人机飞行动力学建模与分析

高空长航时太阳能无人机的机翼是超柔性结构,在飞行中气动弹性变形体现了几何非线性特征,并与飞行动力学响应耦合,从而改变无人机的飞行特性。基于哈密顿原理,对柔性无人机进行了动力学建模,计算了不同装载时无人机的配平状态,并对飞行动力学特性进行了分析。结果表明,由于弹性变形和集中载荷的影响,无人机的短周期频率减小且阻尼增大,长周期运动与结构变形运动发生耦合,导致长周期的阻尼减小。