[发明专利]风力机叶片模态频率及其双峰高斯分布拟合方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力机叶片模拟技术，尤其是涉及一种风力机叶片模态频率及其双峰高斯分布拟合方法。

背景技术

目前风力发电受到各国政府和企业的高度关注，风电装机量稳步上升，而风力机的安全运行是保证风力机稳定发电的基础，叶片作为风力机的关键部件，其性能好坏直接影响风力发电的工作效率、生产成本与安全性。由于其展向长、弦向短、柔性较好以及所受载荷复杂多变的特点，叶片容易发生强烈振动甚至共振，因此叶片振动模态的计算分析十分重要。目前国内外学者利用有限元和实验方法对结构的固有频率和振型等模态参数进行了研究，但对不同转速下叶片模态频率的变化规律尚无深入研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种风力机叶片模态频率及其双峰高斯分布拟合方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种风力机叶片模态频率及其双峰高斯分布拟合方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以风力机叶片的实体模型为研究对象，根据瞬时最小势能原理建立结构运动微分方程，利用Block Lanczos方法求解特征方程；

2)通过有限元分析软件ANSYS数值计算不同转速下风力机叶片的前十阶模态频率，得到模态频率随转速变化的两种不同的变化规律，给出相应的变化机理分析；

3)对风力机叶片第一阶和第十阶模态频率分别随转速的变化曲线均进行双峰高斯拟合，并开展对比验证，验证结果表明该拟合方法精确度高。

所述的步骤1)具体为：

101)叶片由有限元离散化处理后，运用瞬时最小势能原理导出以下结构运动微分方程：

式中，{u}、及{F}分别表示有限元节点位移、速度、加速度和作用在叶片上外力的矢量；[M]、[C]分别表示质量和阻尼矩阵，刚度矩阵[K]＝[K₀]+[K_a]，[K₀]为叶片小变形的有限元刚度矩阵，[K_a]为动刚度矩阵；

102)在计算旋转叶片的振动模态时，动刚度矩阵表示为

[K_a]＝[K_s]+[K_g](2)

式中，[K_s]为叶片刚体运动与弹性变形耦合而产生的应力刚度矩阵，[K_s]为由离心惯性力导致面内变形所引起的几何刚度矩阵；

103)在式(1)中，令{F}＝{0}，这时叶片处于自由振动状态，在求解叶片结构的固有频率时，不考虑阻尼作用，即[C]＝[0]，因此，式(1)可写为

设代入式(3)后得到叶片结构动力问题的特征值方程，即有

式中，ω_i和分别为第i阶的特征值和特征向量，分别对应叶片结构的第i阶模态频率和模态振型；ω_i＝2πf_i，f_i为自振频率。

所述的步骤2)具体为：

201)对实体模型进行精细网格划分，通过网格无关性验证后，得到了有限元模型，改变叶片的转速，计算出叶片在不同转速下的前十阶模态频率；

202)随着转速的增加，旋转叶片的第一阶到第六阶模态频率均呈现非线性递减，其中第一阶模态的减少趋势具有代表性；

203)第七阶至第十阶模态频率随转速增加而增加，其中第十阶模态的变化趋势最为明显。

随着转速增加，叶片刚体运动与变形的耦合作用会导致模态频率的减少，而离心惯性力作用则会导致模态频率的增加。

所述的步骤3)具体为：

301)设叶片第i阶的模态频率f_i随转速ω变化满足双峰高斯分布

式中，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂均为双峰高斯公式的待估参数，

302)根据实测数据得到叶片第一阶、第十阶模态频率f₁、f₁₀随转速ω变化曲线的拟合公式，分别写为

。