4风机关键部件动力学分析的精细积分法研究_蒋天枫.pdf

1、工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连理工大学力学与航空航天学院汇报人：蒋天枫2汇报提纲 研究背景与现状 风机基础结构的基本计算模型 线性与非线性动力学问题的精细积分法 算例设置与算例分析319.83319.31520.625.771.747.63775.996.4129.3148.6163.7184.3210.1281.5328.5365.4441.320142015201620172018201920202021202220230100200300400500装机容量(GW)新增 累计0.230.360.591.161.732.493.8414.485.166.040.671.

2、031.632.794.537.0210.8725.3530.5136.520142015201620172018201920202021202220230510152025303540装机容量(GW)新增 累计中国风电新增和累计装机容量（国家能源局）中国海上风电新增和累计装机容量（国家能源局）陆上和海上涡轮机尺寸趋势，1980-2030（GWEC）风电关键结构尺寸规模逐年增大，建造成本变高风电机组荷载会对海上风机的基础结构产生影响海上风电机组的关键结构自由度偏多，计算缓慢海上风电机组关键结构常用梁模型进行计算量缩减风电关键结构现状风电行业：风电行业仍以陆上风电市场为主陆上风电累计装机容量稳步

3、增长海上风电累计装机容量增速更快海上风电历史发展：我国风电装机容量新增、累计呈快速发展趋势我国海上风电发展迅猛，近几年装机规模庞大研究背景与意义4风机基础结构的基本计算以及算法改进基于SubDyn展开研究SubDyn是由美国国家可再生能源实验室(NREL)开发的针对风机多构件固定底子结构的时域结构动力学模块SubDyn支持的子结构类型包括单桩、三脚架、导管架等，适用于浅水和过渡水深等的计算情况风机基础结构的基本计算模型导管架三角架单桩全局坐标系局部坐标系SubDyn兼容两类梁模型：Euler-Bernoulli梁单元以及Timoshenko梁单元，在通过单元刚度形成全局刚度的时候，局部与全局坐

4、标系的示意图如上图；最终形成的动力学方程可以形成如下的线性形式 +=5风力发电机计算仿真 国内外开发了Bladed、OpenFAST、ENFAST、HAWC2 等的各类风力发电机的仿真软件 OpenFAST中有专门进行叶片动力学仿真的动力学模块BeamDyn 叶片在空间中的形态具有较大的几何非线性。对于柔性叶片而言，其模型具有大位移、大转角甚至大应变的特点时程积分方法Newmark法Wilson法广义法精细积分方法梁模型Euler-Bernoulli梁Timoshenko梁共旋坐标法绝对坐标法几何精确梁模型风机柔性叶片基本计算模型6风机柔性叶片基本计算模型叶片基本计算模型（BeamDyn）将风

5、机叶片视为梁模型 荷载以外力荷载形式施加在叶片上 叶片通过锚点固结在中心转子上 叶片转子锚点坐标设置 在锚点处建立局部参考系，与锚点运动状态一致，局部参考系中定义了梁的参考构型 梁在局部坐标系内柔性变形，随局部坐标系在整体坐标系中旋转 叶片转子整体坐标系随叶片一起运动的坐标系锚点随叶片一起运动的坐标系 7基于共旋坐标的Euler-Bernoulli梁共旋坐标方法 每个单元定义了一个共旋构型 单元变形与受力分析是基于这个共旋构型来计算的 共旋构型与参考构型之间的变换是刚体旋转变换 适用于大旋转大变形问题，但是单元还是小应变的单元节点力的给出=0+00,1=1020021+2,2=20+2001+

6、22,=1 2=00+2012.其中=0为单元长度的增加值1,2为单元两节点的旋转角内力通过旋转变换至整体坐标系中，有了整体坐标下的内力。刚度阵的一部分是材料刚度，是对经典两点欧拉梁刚度阵的空间旋转：=T0全局刚度阵的形成 位移变换一部分是全局位移转换到单元坐标系后的值，另一部分是由于单元坐标系发生旋转所产生的位移 整体坐标中的刚度阵满足与内力的切线关系=线性与非线性动力学问题的精细积分法精细积分方法（PIM）+=(),(0)=0,(0)=1上式是一个离散后的动力学方程，以如下方式引入状态矢量，表示为矩阵形式 =1 1+1()=,=11,()=1()=+(),(0)=0通过这种方法，可以将原方