水平轴风力机桨叶结构动力学特性研究

本文用模态分析的方法研究了水平轴风力机桨叶的结构动力学特性。模态 分析是近年来应用于运动系统结构动力学研究的主要方法，对于风力机叶片这 样的多自由度不规则形状结构，应用模态分析的方法更具有实际意义。模态分 析主要可分为实验模态分析和计算模态分析两种方法。 本文首先从实验模态分析和基于有限元算法的计算模态分析两个方面入 手，对自行开发的300W风力机桨叶建立模型并分析其模态特性，得出了合理 的叶片有限元计算分析模型。在此基础上，应用该计算模型研究了自行开发设 计的600kW大型风力机桨叶的结构动力学特性。 对小型300W桨叶的实验模态分析通过对输入和响应信号的测量，经过分 析系统（DAS）进行参数辨识，获得桨叶的模态特性参数——固有频率和振型。 计算模态分析采用了有限元的方法，在自行开发的风力机气动与结构CAD软 件中进行建模和前处理网格划分，然后用Algor-FEA有限元分析软件计算该 300W叶片的模态参数。通过两种分析方法的分析结果得出了该风力机桨叶的 结构动力学特性。 在研究上述300W叶片模态特性的同时，分析了建模过程中约束条件和积 分阶次的不同对计算结果的影响，得出最为合理的计算模型。应用所得的计算 模型，用有限元的方法研究了600KW大型风力机桨叶的结构动力学特性。最 后，经过与商用软件Bladed for Windows对该桨叶的计算结果对比，分析了本 文所采用的计算模态分析方法的可靠性。 为了更有效地进行计算模态分析，本文用C++语言对BladeDesign for Windows1.0风力机CAD设计软件进行升级，开发了结构动力学分析模块。该 软件是汕头大学能源研究所承担的国家九五攻关课题“风力机气动与结构设计 软件开发”。结构动力学分析模块利用基于Visual C++开发环境的Object ARX SDK对AutoCAD进行二次开发，实现桨叶的建模和网格划分。