风力机叶片全耦合动力响应精细化分析方法技术

本发明专利技术公开了一种风力机叶片全耦合动力响应精细化分析方法，本发明专利技术针对工业界和学术界现有叶片设计分析方法在载荷仿真过程中载荷考虑不完全、精细化分析过程中忽略叶片时变运动的缺陷，一方面，采用可同时考虑空气动力学、水动力学、结构动力学、机电伺服控制动力学、土壤

【技术实现步骤摘要】
风力机叶片全耦合动力响应精细化分析方法


[0001]本专利技术涉及可再生能源和风力发电
，特别是涉及一种适用于包括漂浮式海上风电叶片设计在内的风力机叶片全耦合动力响应精细化分析方法。

技术介绍

[0002]风力机叶片在服役环境中所受载荷可归结为两类，一类是由于空气流动及其与叶片相互作用引起的空气动力载荷，另一类是由重力、离心力、科里奥利力、振动、伺服控制(变桨、偏航、刹车)以及支撑结构运动等产生的惯性荷载。其中，空气动力荷载是风机叶片所承受的最关键的荷载。按照气动荷载计算方法的不同，可将风机叶片的设计分析方法分为两类：一类是基于计算流体动力学(CFD)的方法，其优点是可以高保真地模拟流场，缺点是计算成本过高、存在数值问题且难以实现一体化。另一类是基于叶素动量理论(BEM)的工程尺度方法，虽然精度没有CFD高，但是高效、准确、成熟，且便于实现一体化。在风力机行业中，通过使用OpenFAST、Bladed和HAWC2等仿真工具，叶片上的气动载荷采用基于BEM的工程模型进行计算并与整个风力涡轮机系统的结构动力响应进行耦合。然而，尽管这些工具的叶片结构动力学计算通常基于适合初步设计的简化梁模型，但有必要采用更详细的三维壳体或实体有限元模型，从宏观结构到复合层尺度进行详细的结构分析，从而验证最终设计并提高对结构性能的理解。截至目前，国内外学者已经基于此开展了大量的研究工作，并试图通过评估叶片的结构完整性、屈曲、复合材料失效、损伤和应力/应变分布等方面来深入认识不同工况下叶片的力学响应。然而，一方面，工业上传统的分离式设计方法在叶片载荷仿真过程中无法考虑荷载的全耦合；另一方面，国际学术界在对风力机叶片开展全耦合精细化分析过程中，直接向三维有限元模型施加时域内某一时刻的静态极限荷载，忽略了极限荷载发生之前已发生的叶片变形，且仅针对陆上风力机。由于对叶片动力学响应的认识不足以及对荷载的假设过于简化，现有设计分析方法只能通过提高安全系数来尽可能避免部件在服役过程中的损坏。然而，频发的海上风电叶片工程事故表明这种看似保守的做法并非安全合理的。面对海上风电“大型化”“深水化”发展趋势下的百米级大型叶片和漂浮式风机概念带来的新挑战，必须建立一套合理的叶片设计分析方法和评价体系。

技术实现思路

[0003]为克服现有设计方法中荷载考虑不完全以及开展精细化分析过程中忽略叶片时变运动的缺陷，本专利技术提供一种风力机叶片全耦合动力响应精细化分析方法、设备和介质的技术方案。
[0004]一种风力机叶片全耦合动力响应精细化分析方法，包括：
[0005]步骤1，使用全耦合动态模拟器对各种载荷工况进行一系列一体化载荷仿真，以获得能够耦合整个风力机系统动力学的叶片结构动态响应；
[0006]步骤2，令全耦合动态模拟器输出局部叶片坐标系中梁模型叶片分析节点的时变位移以及耦合包含外部空气动力学载荷和惯性载荷在内的结构动力学反作用荷载；
[0007]步骤3，开展坐标变换和去积分化操作，将局部叶片坐标系转换为全局叶片坐标系，将反作用荷载转换为等效集中外载荷；
[0008]步骤4，通过动态映射算法在每一时间步将叶片整体坐标系下的、作用在叶片分析节点上的集中荷载按照合理的方法映射至叶片三维有限元模型的一系列有限元节点上；
[0009]步骤5，利用通用有限元程序对高保真叶片有限元模型进行考虑大变形效应的准静态或瞬态分析，一方面得到叶片在每一时间步的精细化有限元分析结果，另一方面将三维叶片几何结构的空间位置变化在每一时间步反馈回步骤4的动态映射算法，实现时域动态迭代求解。
[0010]进一步地，所述步骤1中通过输入外部环境条件参数和风机内部条件参数后，在全耦合动态模拟器中实现能够同时考虑空气动力学、水动力学、土壤
‑
结构相互作用、结构动力学、伺服控制动力学的一体化求解。
[0011]进一步地，所述步骤2包括：将时域内请求的全耦合动态模拟器的输出坐标系设置为考虑了叶片局部结构预扭和局部偏转的局部叶片坐标系，输出参量设置为：随时间和空间不断演变的叶片局部变形以及耦合了包含空气动力学载荷和来自结构动力学的惯性载荷在内的叶片结构反作用载荷。
[0012]进一步地，所述步骤3包括：先将局部叶片坐标系中不同叶片翼展截面处离散的反作用力和反作用弯矩从局部叶片坐标系转换为国际标准中规定的全局叶片坐标系，从局部叶片坐标系(x
L
，y
L
，z
L
)到全局叶片坐标系(XB，YB，ZB)的转换可由以下方程表示：
[0013][0014]其中，θ1和θ2分别表示给定叶片截面的局部横摇和纵荡偏转，单位为弧度；γ表示以度为单位的结构预扭角；
[0015]随后，将坐标变换操作后所得到的全局叶片坐标系中每个叶片分析节点处的反作用载荷R进行去积分化操作，沿叶尖至叶根的方向进行分解，从而获得作用在给定叶片分析节点i上的、集中的等效外部载荷L，假设所采用的、最接近叶尖的叶片分析节点是i
max
，则：
[0016][0017]进一步地，所述步骤3还包括：如果等效集中载荷所处的全局叶片坐标系与所建立的三维叶片有限元模型的总体坐标系不一致，则将其进一步转换为所建立的三维高保真叶片有限元模型的总体坐标系，使之易于加载。
[0018]进一步地，所述步骤4包括：通过所开发的动态映射算法在每一时间步将每个给定梁单元叶片分析节点上的集中力和力矩动态映射到该节点与指向叶尖的下一个节点之间的相应叶片节段内的一系列三维有限元模型节点，从而保持每个截面上集中等效载荷的力学平衡。
[0019]进一步地，所述步骤4具体包括：对于梁单元模型在某一时间步的给定叶片分析节点i，设其沿叶片变桨轴方向到叶根的距离为r，则该节点的坐标为(X
i
,Y
i
,r)，且在该时间步作用在其上的挥舞方向、摆振方向的力以及变桨扭距分别为F
X
,i,F
Y,i
和M
Z,i
，从i到指向尖端的下一个叶片分析节点的三维有限元模型对应段有N个节点，对于坐标为(X
j
,Y
j
,Z
j
)的某一给定有限元模型节点j，假设摆振方向上的节点力f
X,j
和挥舞方向上的节点力f
Y,j
服从与其坐标相关的线性分布，而轴向节点力f
Z,j
平均分布，则可建立如下力学平衡条件：
[0020][0021]其中，X0＝X
j
‑
X
i
，Y0＝Y
j
‑
Y
i
；k1至k7为待求未知系数，可根据线性代数计算求出。
[0022]进一步地，所述步骤5包括：采用通用有限元程序进行考虑大变形效应即考虑几何非线性的准静态或瞬态分析，一方面，可开展叶片整体及局部构件包括应力应变、疲劳、失效、屈曲、断裂在内的各种精细化有限元分析，并提取所关心本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风力机叶片全耦合动力响应精细化分析方法，其特征在于，包括：步骤1，使用全耦合动态模拟器对各种载荷工况进行一体化载荷仿真，以获得能够耦合整个风力机系统动力学的叶片结构动态响应；步骤2，令全耦合动态模拟器输出局部叶片坐标系中梁模型叶片分析节点的时变位移以及耦合包含外部空气动力学载荷和惯性载荷在内的结构动力学反作用荷载；步骤3，开展坐标变换和去积分化操作，将局部叶片坐标系转换为全局叶片坐标系，将反作用荷载转换为等效集中外载荷；步骤4，通过动态映射算法在每一时间步将叶片整体坐标系下的、作用在叶片分析节点上的集中荷载按照合理的方法映射至叶片三维有限元模型的有限元节点上；步骤5，利用通用有限元程序对高保真叶片有限元模型进行考虑大变形效应的准静态或瞬态分析，一方面得到叶片在每一时间步的精细化有限元分析结果，另一方面将三维叶片几何结构的空间位置变化在每一时间步反馈回步骤4的动态映射算法，实现时域动态迭代求解。2.根据权利要求1所述的一种风力机叶片全耦合动力响应精细化分析方法，其特征在于，所述步骤1中通过输入外部环境条件参数和风机内部条件参数后，在全耦合动态模拟器中实现能够同时考虑空气动力学、水动力学、土壤
‑
结构相互作用、结构动力学、伺服控制动力学的一体化求解。3.根据权利要求1所述的一种风力机叶片全耦合动力响应精细化分析方法，其特征在于，所述步骤2包括：将时域内请求的全耦合动态模拟器的输出坐标系设置为考虑了叶片局部结构预扭和局部偏转的局部叶片坐标系，输出参量设置为：随时间和空间不断演变的叶片局部变形以及耦合了包含空气动力学载荷和来自结构动力学的惯性载荷在内的叶片结构反作用载荷。4.根据权利要求1所述的一种风力机叶片全耦合动力响应精细化分析方法，其特征在于，所述步骤3包括：先将局部叶片坐标系中不同叶片翼展截面处离散的反作用力和反作用弯矩从局部叶片坐标系转换为国际标准中规定的全局叶片坐标系，从局部叶片坐标系(x
L
，y
L
，z
L
)到全局叶片坐标系(XB，YB，ZB)的转换可由以下方程表示：其中，θ1和θ2分别表示给定叶片截面的局部横摇和纵荡偏转，单位为弧度；γ表示以度为单位的结构预扭角；随后，将坐标变换操作后所得到的全局叶片坐标系中每个叶片分析节点处的反作用载荷R进行去积分化操作，沿叶尖至叶根的方向进行分解，从而获得作用在给定叶片分析节点i上的、集中的等效外部载荷L，假设所采用的、最接近叶尖的叶片分析节点是i
max
，则：

【专利技术属性】
技术研发人员：梁旭，王宝萱，王立忠，盛方圆，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：