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风力机叶片是风力机系统的主要受载部件,随着叶片的大型化及柔性化,其非定常气动特性逐渐突显出来,叶片的变形也更为复杂,同时较大的叶片变形甚至会影响到叶片的气动特性。如何精确计算风力机叶片的动力响应,对叶片后续设计和分析具有重要的工程实际意义。本文依托广东省自然科学基金“大型风力机柔性叶片的气动弹性问题研究”,以5MW水平风力机为对象,结合非定常气动理论及Timoshenko梁理论,计算了大型风力机叶片的动力响应。 在气动载荷方面的计算首先采用了较为精确的片条理论,考虑了风轮主轴仰角、叶片挥舞方向的倾角和风剪切作用。并进行了叶栅效应修正、叶尖损失修正、Glauert修正,随后,在平衡尾流的基础上分别考虑了动态入流和动态失速模型,计算得到了非定常气动诱导因子。 将风力机叶片视为悬臂梁,分别引入了三种Timoshenko梁模型来描述风力机叶片的变形特征,并对Timoshenko梁退化为Euler-Bernoulli梁的情况作了详细的阐述,推导出了各种梁模型下的风力机叶片单元的等效刚度矩阵、等效质量矩阵以及等效节点载荷的具体形式或表达式。 在风力机叶片截面坐标系中,分别计算了平衡尾流、动态入流、动态失速三种气动模型下的气动载荷。并对三种模型情况下计算的载荷进行了对比,分析了三种气动模型对气动载荷计算的影响。 对所得单元等效刚度矩阵、单元等效质量矩阵以及单元载荷向量进行组集,得到最后的风力机叶片总体刚度矩阵、总体质量矩阵、总体等效载荷向量。随后,采用Rayleigh阻尼计算方法得到总体阻尼矩阵,并组建结构动力学方程,运用Newmark法对在不同的气动模型、结模型下所得到的动力学方程进行求解。运用计算所得的动态响应结果,分析了风力机叶片横向剪切变形和展向位移对动态响应结果的影响。考虑了叶片变形对风力机气动特性的影响,并作了简单的气动弹性分析。 为了计算采用非线性结构模型所得到的非线性动力学方程,介绍了Newmark法,Newmark法结合各时间步内的位移迭代法,Newton-Raphson法,得到了一组非线性解。