风力发电机叶片振动模态分析.docx

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风力发电机叶片振动模态分析

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机电与车辆工程学院毕业设计

题目：

风力发电机叶片振动模态分析

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

09自动化

（2）班

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学号：

**********

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日期：

2013-6-5

风力发电机叶片振动模态分析

摘要：

随着能源危机的进一步恶化，风能作为可再生能源在世界各国越来越受到重视，风力发电技术得到了长足的发展。

风力发电机的叶片是风力机的关键部件，叶片的设计及研究是整台风力发电机的设计的关键环节。

对风力机叶片的设计、振动及强度分析尤为重要。

本文首先以空气动力学为基础，结合风力机的相关基本理论，对风力发电机叶片进行了设计及建模。

首先将由Pro/E绘制好的叶片实体模型导入Abaqus中，利用Abaqus对叶片进行划分网格、定义材料属性以及确定边界条件及施加载荷，完成叶片有限元模型的建立；然后对叶片进行模态分析态，得出叶片的前十阶频率、振型。

通过分析表明叶片的动力学性能均符合设计要求，可以对叶片进行后续的研究。

关键词：

风力发电机；叶片；强度分析；模态分析

引言

国外很多学者都进行过针对叶片的分析研究，但研究方法和目的各不相同。

有些学者主要从理论上对叶片的动态特性进行计算和分析，从而得出叶片的振动方程；另外一些学者就叶片的几种简化模型进行讨论，并提出自己认为比较合适的模型；有些则是以优化为目的对叶片的振动特性进行有限元分析；另外一些

人则结合实验对叶片的某些部位进行了强度分析，这些分析都没有对叶片有限元模型的建立、分析等给予详细介绍[1]。

有限元模型的建立是对风力机叶片进行力学分析的基础，其有限元模型的精度至关重要，有限元模型在叶片设计初期对方案的选择起到参考作用。

叶片的静力学分析是从整体上分析叶片结构应力和应变分布规律，系统分析叶片结构的受力特点，校核叶片的强度，并为铺层设计提供参考[2]。

风力机的叶片作为一种弹性结构，且工作时作周期性旋转，作用在其上的载荷具有交变性和随机性。

为了防止叶片发生共振疲劳破坏，有必要对叶片进行振动特性分析。

将以有限元软件Abaqus为基础，对大型风力机叶片有限元模型的建立、分析进行深入研究和探讨。

1．概况及现状分析

1.1风力发电机组技术发展动向和现状

1.1.1国外风电技术发展现状

全球可利用的风能资源非常丰富，风能总量比地球上可开发利用的水能总量大10倍以上。

风力发电机组的研究与制造以欧洲国家最具有代表性，如丹麦、德国、荷兰和比利时等国家，其中丹麦生产和销售量居世界的首位，而技术和发展速度则属德国最快。

从应用和管理角度看，美国目前是世界风力装机容量和发电量最多的国家，装机容量超过了2X104MW，且每年仍以10％的速度增加。

风力发电在新能源和可再生能源行业中增长最快，平均每年增长达到35％，美国、意大利和德国的年增长高达50％以上。

德国风电量已占全国总发电量的4.7％以上，丹麦风电已超过总发电量的20％。

全球已有50多个国家正积极促进风能事业的发展。

由于风力发电技术相对成熟，许多国家投入较大、发展较快，使风电价格不断下降，考虑环保和地理因素，加上政府税收优惠和相关政策支持，在投资、电价方面有些地区已可与火电等能源展开竞争。

自1995年以来，世界风能发电速度几乎增加近5倍。

同一时期，煤电发电却下降了9％。

在全球范围内，风力发电已经形成了年产值超过50亿美元的产业。

截至2001年底，全球风能发电能力已经达到25000MW，比上一年增长6500MW，增长了35％。

到2002年底，世界积累的风力发电设备有61000台，总装机容量为32000MW，排在前四位的是德国、美国、西班牙和丹麦。

欧洲占75％。

预计到2007年底，风力发电总能力累计将达到83000MW，其中欧洲达58000MW。

1.1.2国内风电技术发展现状

我国风能资源储量居世界首位，总的可开发利用的风能总量2.53亿千瓦，仅次于俄罗斯和美国，居世界第三，仅陆地上可开发的装机容量就达2.5亿千瓦。

这十几年来，我国对风能资源状况作了很深入的勘测调查。

我国风能资源分布很广，在东南沿海、山东、辽宁沿海及其岛屿年平均风速达6～9m/s，内陆地区，如内蒙古被捕，甘肃新疆北部以及松花江下游也属于风资源丰富区，风速达6.3m/s，在这些地区均有很好的开发利用条件。

目前我国已建成40多个风电场，装机容量仅占全国电力装机的0.11％，因此具有很大的发展空间。

20世纪90年代是我国风能利用的发展阶段，其中主要设备采用的是进口设备并由国外政府贷款协助完成。

我国已运行的最大风力机是1.3MW，由德国Nordex公司生产，共四台，装在辽宁营121仙人岛风力发电场［3］。

目前我国已有各种用途的微型风力机（1kW以下）、小型风力机（1～lOkW）、中型风力机（10～150kW）15万台。

近10年，我国风电装机以年均55％的速度增长。

2000年，风电总装机为344MW；

2002年，风电总装机增加到468.4MW，增长36.2％，占我国电力总装机的0.13％。

截至2003年底，我国除台湾省外，已建成的风电场达40个，风力发电机组达1042台，累计装机总规模为567MW。

2005年我国风力发电装机总量超过1000MW，到2010年将达到4000MW，到2020年将达到20000MW，届时在全国电力能源结构中的比例将占到2％，预计到2050年，风电市场和相关产业有7000亿元的市场潜力，年均产值140亿元。

这几年我国的交通条件得到了极大的改善，电网覆盖程度有了很大的提高，许多风资源丰富的地区已置于电网覆盖之下，也为建设大型风电场提供了更有力的条件。

为了促进我国风电产业的发展，国家计委一直在研究和制定新的可再生能源政策，一些政策已经开始出台并进行实施，这些必将有力地推进我国风电事业的发展

1.2有限元技术发展状况

国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。

其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。

该系统发展至今已有几十个版本,是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。

从那时到现在,世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件,主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。

当今国际上FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征:

（1）从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题

有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来,逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析,实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。

而且从理论上也已经证明,只要用于离散求解对象的单元足够小,所得的解就可足够逼近于精确值。

所以近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算,最近又发展到求解几个交叉学科的问题。

例如当气流流过一个很高的铁塔时就会使铁塔产生变形,而塔的变形又反过来影响到气流的流动，这就需要用固体力学和流体动力学的有限元分析结果交叉迭代求解,即所谓“流固耦合”的问题。

（2）由求解线性工程问题进展到分析非线性问题

随着科学技术的发展,线性理论已经远远不能满足设计的要求。

例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出现,就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题;航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力,也要考虑材料的非线性问题;诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现,仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题,只有采用非线性有限元算法才能解决。

众所周知,非线性的数值计算是很复杂的,它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧,很难为一般工程技术人员所掌握。

为此近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资开发诸如MARC、ABQUS和ADINA等专长于求解非线性问题的有限元分析软件,并广泛应用于工程实践。

这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。

（3）增强可视化的前置建模和后置数据处理功能

早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。

随着数值分析方法的逐步完善,尤其是计算机运算速度的飞速发展,整个计算系统用于求解运算的时间越来越少,而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。

在现在的工程工作站上,求解一个包含10万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。

但是如果用手工方式来建立这个模型,然后再处理大量的计算结果则需用几周的时间。

可以毫不夸张地说,工程师在分析计算一个工程问题时有80%以上的精力都花在数据准备和结果分析上。

因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。

在强调"可视化"的今天,很多程序都建立了对用户非常友好的GUI（GraphicsUserInterface）,使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分,生成有限元分析所需数据,并要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图,便于极值搜索和所需数据的列表输出。

（4）与CAD软件的无缝集成

当今有限元分析系统的另一个特点是与通用CAD软件的集成使用,即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后,自动生成有限元网格并进行计算,如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算,直到满意为止,从而极大地提高了设计水平和效率。

今天,工程师可以在集成的CAD和FEA软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。

所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。

在大力推广CAD技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开有限元分析计算，有限元法在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。

目前以分析、优化和仿真为特征的CAE（ComputeraidedEngineeringCAE）技术在世界范围内蓬勃发展。

它通过先进的CAE技术快速有效地分析产品的各种特性、揭示结构各类参数变化对产品性能的响，进行设计方案的修改和调整，使产品达到性能和质量上的最优，原材料消耗最低。

因此，基于计算机的分析、优化和仿真的CAE技术的研究和应用，是高质量、高水平、低成本产品设计与开发的保证。

有限元法也必将在科技发展史上大放异彩。

1.3本课题的研究内容及意义

本论文是基于空气动力学相关知识，针对水平轴风力机进行叶片的设计、三维建模及其动力学分析等方面进行深入研究，其主要内容包括以下几个方面：

1）详细介绍模态分析的相关理论以及有限元法在模态分析中的工作原理和方法。

2）介绍风机的基本工作原理及风机叶片的结构尺寸参数，根据风机气动相关理论，应用空气动力学相关理论，建立叶片的设计模型。

3）将所建的三维模型导入abaqus中，利用abaqus有限元计算软件对叶片进行振动模态及静力分析，计算叶片的固有频率、各阶振型图及应力、应变云图，为避免叶片发生共振、提高叶片使用寿命提供分析方法。

2．数学模型构建

2.1结构模态分析

模态分析是各种动力学分析类型中基本的内容，结构和系统的振动特性决定了结构和系统对于其他各种动力载荷的响应情况，所以，一般情况下，在进行其他动力学分析之前首先要进行模态分析[4]。

2.2进行模态分析的功能

使用模态分析：

（1）可以使结构设计避免共振或者按照特定的频率进行振动。

（2）可以认识到对于不同类型的动力载荷结构是如何响应的。

（3）有助于在其他动力学分析中估算求解控制参数（如时间步长）。

2.3模态分析的步骤

模态分析中的四个