大型风力机复合材料叶片动态特性及气弹稳定性分析

刘 伟，尹家聪，陈 璞，苏先樾

(北京大学力学与空天技术系湍流与复杂系统国家重点实验室，北京 100871)

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随着现代风力发电技术的日益成熟，全球风电产业近年来发展势头良好，大功率、兆瓦级风力发电机大量投入使用。与此同时，风力发电机的空气动力学特性及其结构优化设计也逐渐受到研究人员的广泛关注。叶片作为风力发电机的核心部件，其良好的结构特性是整个机组实现长期安全高效运行的前提，因此风机叶片的结构设计与分析是风机设计的重要环节。风机叶片一般展向长、弦向短，因而当前多数风机叶片的结构分析及优化设计研究均采用近似梁模型进行［1-2］。然而，由于目前大型风机的叶片普遍采用各种具有轻质高强特点的纤维增强复合材料制成，从整体上叶片可以看成是一种复杂薄壁结构。此时采用近似梁模型进行叶片结构分析，其结果可能无法满足精度要求［3］。此外，近似梁模型虽然能够在一定程度上反映叶片的整体性能，却无法揭示叶片的细节结构特性，如叶片在气动载荷下可能的局部屈曲［4］。

本文探索大型复合材料叶片三维壳模型的快速参数化建模技术，以及利用三维壳模型进行的叶片结构动态特性分析及静气弹稳定性分析。针对某初步设计的1.5MW风机叶片，首先采用参数化建模技术建立风力机复合材料叶片三维壳模型，并在此基础上对叶片的固有动力学特性进行分析，其中旋转工况下的分析考虑了离心力导致的应力刚化及旋转软化等附加效应的影响。……