风力机叶片模态频率及其双峰高斯分布拟合方法技术

本发明专利技术涉及一种风力机叶片模态频率及其双峰高斯分布拟合方法，包括以下步骤：1)以风力机叶片的实体模型为研究对象，根据瞬时最小势能原理建立结构运动微分方程，利用Block Lanczos方法求解特征方程；2)通过有限元分析软件ANSYS数值计算不同转速下风力机叶片的前十阶模态频率，得到模态频率随转速变化的两种不同的变化规律，给出相应的变化机理分析；3)对风力机叶片第一阶和第十阶模态频率分别随转速的变化曲线均进行双峰高斯拟合，并开展对比验证。与现有技术相比，本发明专利技术具有精确度高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种风力机叶片模拟技术，尤其是涉及一种风力机叶片模态频率及其 双峰高斯分布拟合方法。
技术介绍
目前风力发电受到各国政府和企业的高度关注，风电装机量稳步上升，而风力机 的安全运行是保证风力机稳定发电的基础，叶片作为风力机的关键部件，其性能好坏直接 影响风力发电的工作效率、生产成本与安全性。由于其展向长、弦向短、柔性较好以及所受 载荷复杂多变的特点，叶片容易发生强烈振动甚至共振，因此叶片振动模态的计算分析十 分重要。目前国内外学者利用有限元和实验方法对结构的固有频率和振型等模态参数进行 了研究，但对不同转速下叶片模态频率的变化规律尚无深入研究。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种风力机叶片模 态频率及其双峰高斯分布拟合方法。 本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现： -种，其特征在于，包括以下步 骤： 1)以风力机叶片的实体模型为研究对象，根据瞬时最小势能原理建立结构运动微 分方程，利用Block Lanczos方法求解特征方程； 2)通过有限元分析软件ANSYS数值计算不同转速下风力机叶片的前十阶模态频 率，得到模态频率随转速变化的两种不同的变化规律，给出相应的变化机理分析； 3)对风力机叶片第一阶和第十阶模态频率分别随转速的变化曲线均进行双峰高 斯拟合，并开展对比验证，验证结果表明该拟合方法精确度高。 所述的步骤1)具体为： 101)叶片由有限元离散化处理后，运用瞬时最小势能原理导出以下结构运动微分 方程： 式中，{u}、W、W及{F}分别表示有限元节点位移、速度、加速度和作用在叶片 上外力的矢量；、分别表示质量和阻尼矩阵，刚度矩阵 = 为叶片 小变形的有限元刚度矩阵，[KJ为动刚度矩阵； 102)在计算旋转叶片的振动模态时，动刚度矩阵表示为 + (2) 式中，为由离 心惯性力导致面内变形所引起的几何刚度矩阵； 103)在式⑴中，令{F} = {0}，这时叶片处于自由振动状态，在求解叶片结构的 CN 105117539 A 说明书 2/5 页 固有频率时，不考虑阻尼作用，g卩 = ，因此，式（1)可写为 设W = ，代入式⑶后得到叶片结构动力问题的特征值方程，即有 式中，ω JP丨奶|分别为第i阶的特征值和特征向量，分别对应叶片结构的第i阶 模态频率和模态振型；ω 1= 2 π f y &为自振频率。 所述的步骤2)具体为： 201)对实体模型进行精细网格划分，通过网格无关性验证后，得到了有限元模型， 改变叶片的转速，计算出叶片在不同转速下的前十阶模态频率； 202)随着转速的增加，旋转叶片的第一阶到第六阶模态频率均呈现非线性递减， 其中第一阶模态的减少趋势具有代表性； 203)第七阶至第十阶模态频率随转速增加而增加，其中第十阶模态的变化趋势最 为明显。 随着转速增加，叶片刚体运动与变形的耦合作用会导致模态频率的减少，而离心 惯性力作用则会导致模态频率的增加。 所述的步骤3)具体为： 301)设叶片第i阶的模态频率&随转速ω变化满足双峰高斯分布 式中，匕、Cl、a2、b2、C 2均为双峰高斯公式的待估参数， 302)根据实测数据得到叶片第一阶、第十阶模态频率Lf1。随转速ω变化曲线的 拟合公式，分别写为O 与现有技术相比，本专利技术结合国内外风力机叶片相关理论研究和实际应用工况， 建立了叶片的实体模型，计算了不同转速下叶片的前十阶模态频率，揭示了模态频率随转 速的变化规律，给出了相应的理论分析，可为风力机叶片的优化设计和进一步的振动特性 分析提供了技术参考，对风机叶片的安全运行具有重要的参考价值。【附图说明】 图1为叶片的实体模型及有限元网格剖分示意图； 图2为叶片的约束方式示意图； 图3为叶片第一阶模态频率随转速的变化曲线图； 图4为叶片第十阶模态频率随转速的变化曲线图； 图5为叶片第一阶模态频率随转速变化的拟合曲线及对比验证图； 图6为叶片第十阶模态频率随转速变化的拟合曲线及对比验证图。【具体实施方式】 下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。 实施例 -种，包括以下步骤： 1)以风力机叶片的实体模型为研究对象，根据瞬时最小势能原理建立结构运动微 分方程，利用Block Lanczos方法求解特征方程； 2)通过有限元分析软件ANSYS数值计算不同转速下风力机叶片的前十阶模态频 率，得到模态频率随转速变化的两种不同的变化规律，给出相应的变化机理分析； 3)对风力机叶片第一阶和第十阶模态频率分别随转速的变化曲线均进行双峰高 斯拟合，并开展对比验证，验证结果表明该拟合方法精确度高。 1、风力机叶片的动力特征方程 叶片由有限元离散化处理后，运用瞬时最小势能原理可导出以下结构运动微分方 程 式中，{u}、W、?及{F}分别表示有限元节点位移、速度、加速度和作用在叶片 上外力的矢量；、分别表示质量和阻尼矩阵，刚度矩阵 = 为叶片 小变形的有限元刚度矩阵，[KJ为动刚度矩阵。 风力机叶片绕转轴以一定角速度大范围转动时，离心惯性力影响了叶片的变形， 此时叶片的转动与变形之间相互耦合而导致叶片刚度变化，出现"动力刚化"现象。在计算 旋转叶片的振动模态时，动刚度矩阵可表示为 + ⑵ 式中，为由离 心惯性力导致面内变形所引起的几何刚度矩阵。 在式⑴中，令{F} = {0}，这时叶片处于自由振动状态。此外，在求解叶片结构的 固有频率时，一般不考虑阻尼作用，g卩 = 。因此，式（1)可写为 设{?} = {巧}#辦，:代入式（3)后可得到叶片结构动力问题的特征值方程，即有 式中，ω JP 分别为第i阶的特征值和特征向量，分别对应叶片结构的第i阶 模态频率和模态振型；ω 1= 2 π f y &为自振频率。 2、应用软件的求解过程 运用ANSYS软件对风力机叶片的模态进行求解，分三步进行。 1)实体建模 采用目前装机容量为5MW的风力机叶片作为研究对象，将翼型坐标进行变换，运当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力机叶片模态频率及其双峰高斯分布拟合方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以风力机叶片的实体模型为研究对象，根据瞬时最小势能原理建立结构运动微分方程，利用Block Lanczos方法求解特征方程；2)通过有限元分析软件ANSYS数值计算不同转速下风力机叶片的前十阶模态频率，得到模态频率随转速变化的两种不同的变化规律，给出相应的变化机理分析；3)对风力机叶片第一阶和第十阶模态频率分别随转速的变化曲线均进行双峰高斯拟合，并开展对比验证。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张建平，施锋锋，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海;31