风力机柔塔系统固有振动特性快速建模及仿真方法技术方案

本发明专利技术公开了一种风力机柔塔系统固有振动特性快速建模及仿真方法，包括以下过程：对风力机柔塔系统进行合理的简化，将系统离散成各多体动力学元件；基于多体系统传递矩阵法推导考虑重力作用的塔筒梁传递矩阵；确定其它多体动力学元件的传递矩阵；确定边界条件，建立柔塔系统总传递方程；求解总传递方程，得到柔塔系统的振动特性，本发明专利技术充分考虑风力机柔塔系统的结构细节，计算效率高并且仿真精度高，能实现对风力机柔塔系统的快速建模与固有振动特性分析，同时，为工程上类似于柔塔结构的细长柔性体系统动力学建模与振动特性分析提供参考。供参考。供参考。

【技术实现步骤摘要】
风力机柔塔系统固有振动特性快速建模及仿真方法


[0001]本专利技术涉及多体系统动力学
，特别涉及一种风力机柔塔系统。

技术介绍

[0002]随着风能产业的快速发展，为了更有效地捕获风能，大型化的兆瓦级风力机正逐步成为主流。近年来，兆瓦级风力机主要应用高柔性塔筒支撑。柔性塔可支撑风力机轮毂到110～150m的高度，成本较低。塔架一般为薄壁钢空心圆筒，具有柔性大、阻尼小、重量轻的特点。但是风力机柔塔引起的流体
‑
结构相互作用(FSI)振动更加突出。风力机的生命周期主要受其动力学响应影响，为了避免风力机在流速范围内产生共振，必须知道其固有频率。而风力机的低阶固有频率主要受塔筒影响，因此预测风力机整机振动特性对研究风力机塔筒结构稳定性具有重要意义，为进一步研究塔筒减振提供技术支持。另外，风力机塔筒承受着复合荷载，主要包括风荷载、自身重量及其引起的偏心矩。这些载荷可导致机电设备的运行失效，也会显著增加塔架上的变形和应力。柔塔作为风力机的重要承载部件，其变形和振动会降低结构强度和稳定。在严重情况下，可能会导致疲劳失效，甚至塔架倒塌。因此，风力机柔塔的振动特性预估对于确定结构可靠性具有重要意义，同时也需要一种风力柔塔系统建模和振动特性快速计算方法。
[0003]风力机可归结为由多个刚体(机舱、轮毂等)和柔性体(叶片和塔架)组成的多刚柔体系统。有限元法(FEM)是描述柔性体变形的常用方法。已有文献对风力机塔筒进行了有限元建模，但在其模型中，刚体往往被简化为集中质量。有限元法虽然具有较强的通用性，但不能单独完成多刚柔体系统的动力学建模。此外，构造高阶连续场函数难度大，计算效率低。多体系统传递矩阵法(MSTMM)是芮筱亭院士提出的一种新的多体动力学方法，已应用于多种多刚柔体系统的动力学建模中。该方法可用于计算多体系统的振动特性和动力响应。MSTMM具有矩阵阶低、公式简单、计算成本低等优点。MSTMM在风力机柔塔中的应用，既能考虑柔性塔的几何非线性，又能考虑柔体变形与刚体运动的耦合。因此，该方法适用于风力机柔塔系统的建模和振动特性分析。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种风力机柔塔系统固有振动特性快速建模及仿真方法，实现了风力机柔塔振动特性的快速建模和仿真，方便了风力机柔塔系统的振动特性分析。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：一种风力机柔塔系统固有振动特性快速建模方法，包括以下过程：
[0006]步骤一：对风力机柔塔系统进行简化，将系统离散成各多体动力学元件；
[0007]步骤二：基于多体系统传递矩阵法推导考虑重力作用的塔筒梁传递矩阵；
[0008]步骤三：确定其他多体动力学元件的传递矩阵；
[0009]步骤四：确定边界条件，建立柔塔系统总传递方程；
[0010]作为本专利技术的进一步限定，步骤一具体包括：忽略影响塔筒振动特性的次要部分，对风力机柔塔结构模型做出如下假设和简化：
[0011](1)忽略塔筒模型扭转运动；
[0012](2)假设风力机叶片、轮毂和机舱为一个存在质量偏心的空间刚体，忽略其中复杂部件的影响；
[0013](3)忽略塔筒自身的结构阻尼；
[0014](4)根据塔架的高质量比特性，忽略塔筒内部空气质量；
[0015](5)假设塔筒内部法兰为集中质量，忽略螺栓、螺丝和螺孔造成的影响；
[0016](6)假设塔筒截面始终保持圆形，不考虑壳体截面变形；
[0017](7)假设塔筒表面平滑，不存在焊缝凹陷；
[0018](8)假设塔筒为梁结构，假设不存在剪切效应和局部屈曲效应；
[0019](9)假设塔筒与机舱为固定连接，忽略机舱相对于塔筒的扭转；
[0020](10)忽略风力机内部爬梯、电缆架、平台等对塔架整体强度影响较小的复杂部件；
[0021]根据风力机柔塔系统的结构，将塔筒离散成多段考虑顶部构件压力作用、不同结构参数的Euler
‑
Bernoulli梁；将风力机塔筒内部的法兰、螺栓和支撑其的平台处理为集中质量；将作用在塔筒顶部的风力机叶片、轮毂和机舱处理为一个存在质量偏心的空间刚体；
[0022]根据模型中所有元件的运动和相互作用，状态矢量可统一为Z＝[Y,Z,Θ
y
,Θ
z
,M
y
,M
z
,Q
y
,Q
z
]T
，其中，Z为沿坐标轴z位移对应的模态坐标列阵，Y为沿坐标轴y位移对应的模态坐标列阵，Θ
z
为该点处相对于平衡位置相对于在z轴的角位移对应的模态坐标列阵，Θ
y
为该点处相对于平衡位置相对于y轴的角位移对应的模态坐标列阵，M
z
为沿坐标轴z内力矩对应的模态坐标列阵，M
x
为沿坐标轴x内力矩对应的模态坐标列阵，Q
z
为沿坐标轴z内力对应的模态坐标列阵，Q
y
为沿坐标轴y内力对应的模态坐标列阵。
[0023]作为本专利技术的进一步限定，步骤二中所述推导塔筒的梁传递矩阵包括：
[0024]建立考虑重力的双自由度Euler
‑
Bernoulli梁的振动微分方程：
[0025][0026][0027]式中，EI为梁的弯曲刚度，为单位长度质量，t为时间，z为塔筒流向位移，y为塔筒横向位移，x表示在x轴上的位置，G为梁轴向所受的压力；
[0028]由模态坐标转换，令
[0029]y(x,t)＝Y(x)e
iωt
,z(x,t)＝Z(x)e
iωt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0030]式中，ω为角速度，Y(x)、Z(x)为y(x,t)、z(x,t)通过模态坐标转换得到，i代表虚数；
[0031]将式(3)其代入式(1)、(2)，使偏微分方程变为4阶常微分方程得：
[0032][0033][0034]式(4
‑
5)可计算得通解：
[0035][0036]式中A1～A8为常数，并且
[0037][0038][0039]根据Euler
‑
Bernoulli梁特性，可得到模态坐标系下的角位移Θ
y
、Θ
z
，力矩M
y
、M
z
和内力Q
y
、Q
z
的表达式：
[0040][0041]将式(6)和式(9)写成矩阵的形式可得：
[0042][0043]即Z(x)＝B(x)
·
a,a＝[A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8]T
，其中Z(x)为状态矢量，即方程(10)等式左边项，B(x)代表方程(10)等式右边的第一个矩阵；令x＝0代入方程(10)可得到Z(0)＝B(0)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风力机柔塔系统固有振动特性快速建模方法，其特征在于，包括以下过程：步骤一：对风力机柔塔系统进行简化，将系统离散成各多体动力学元件；步骤二：基于多体系统传递矩阵法推导考虑重力作用的塔筒梁传递矩阵；步骤三：确定其他多体动力学元件的传递矩阵；步骤四：确定边界条件，建立柔塔系统总传递方程。2.根据权利要求1所述的风力机柔塔系统固有振动特性快速建模方法，其特征在于，步骤一具体包括：忽略影响塔筒振动特性的次要部分，对风力机柔塔结构模型做出如下假设和简化：(1)忽略塔筒模型扭转运动；(2)假设风力机叶片、轮毂和机舱为一个存在质量偏心的空间刚体，忽略其中复杂部件的影响；(3)忽略塔筒自身的结构阻尼；(4)根据塔架的高质量比特性，忽略塔筒内部空气质量；(5)假设塔筒内部法兰为集中质量，忽略螺栓、螺丝和螺孔造成的影响；(6)假设塔筒截面始终保持圆形，不考虑壳体截面变形；(7)假设塔筒表面平滑，不存在焊缝凹陷；(8)假设塔筒为梁结构，假设不存在剪切效应和局部屈曲效应；(9)假设塔筒与机舱为固定连接，忽略机舱相对于塔筒的扭转；(10)忽略风力机内部爬梯、电缆架、平台等对塔架整体强度影响较小的复杂部件；根据风力机柔塔系统的结构，将塔筒离散成多段考虑顶部构件压力作用、不同结构参数的Euler
‑
Bernoulli梁；将风力机塔筒内部的法兰、螺栓和支撑其的平台处理为集中质量；将作用在塔筒顶部的风力机叶片、轮毂和机舱处理为一个存在质量偏心的空间刚体；根据模型中所有元件的运动和相互作用，状态矢量可统一为Z＝[Y,Z,Θ
y
,Θ
z
,M
y
,M
z
,Q
y
,Q
z
]
T
，其中，Z为沿坐标轴z位移对应的模态坐标列阵，Y为沿坐标轴y位移对应的模态坐标列阵，Θ
z
为该点处相对于平衡位置相对于在z轴的角位移对应的模态坐标列阵，Θ
y
为该点处相对于平衡位置相对于y轴的角位移对应的模态坐标列阵，M
z
为沿坐标轴z内力矩对应的模态坐标列阵，M
x
为沿坐标轴x内力矩对应的模态坐标列阵，Q
z
为沿坐标轴z内力对应的模态坐标列阵，Q
y
为沿坐标轴y内力对应的模态坐标列阵。3.根据权利要求2所述的风力机柔塔系统固有振动特性快速建模方法，其特征在于，步骤二中所述推导塔筒的梁传递矩阵包括：建立考虑重力的双自由度Euler
‑
Bernoulli梁的振动微分方程：Bernoulli梁的振动微分方程：式中，EI为梁的弯曲刚度，为单位长度质量，t为时间，z为塔筒流向位移，y为塔筒横向位移，x表示在x轴上的位置，G为梁轴向所受的压力；由模态坐标转换，令
y(x,t)＝Y(x)e
iωt
,z(x,t)＝Z(x)e
iωt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，ω为角速度，Y(x)、Z(x)为y(x,t)、z(x,t)通过模态坐标转换得到，i代表虚数；将式(3)其代入式(1)、(2)，使偏微分方程变为4阶常微分方程得：4阶常微分方程得：式(4
‑
5)可计算得通解：式中A1～A8为常数，并且为常数，并且根据Euler
‑
Bernoulli梁特性，可得到模态坐标系下的角位移Θ
y
、Θ
z
，力矩M
y
、M
z
和内力Q
y
、Q
z
的表达式：将式(6)和式(9)写成矩阵的形式可得：即Z(x)＝B(x)
·
a,a...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈东阳，顾超杰，徐瑞，刘锟，杨洁，丁敏，马冉，倪正义，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：