[发明专利]基于多平台联合仿真的风力发电机动力响应分析方法

说明书

本发明公开了基于多平台联合仿真的风力发电机动力响应分析方法，属于风力发电机技术领域。针对风力发电机的结构部件，通过Creo平台完成三维实体建模，并将Creo模型导入到ABAQUS有限元平台中；根据实际工况对ABAQUS中机组整体的有限元模型设置各部分正确约束关系，仿真获得叶轮组件和机组整体的固有频率和模态振型。考虑风力机承受的风剪切效应，在叶轮和塔架的不同区段内施加相应的风压载荷。通过响应仿真讨论机组内部即叶轮和塔架之间的耦合响应。采用有限元仿真手段研究关键部件及机组整体的固有振动特性，并以时变风压分布作为主激励载荷获得了风力发电机的动力学响应特征，对于改善机组结构设计、制定有效诊断策略具有重要意义。

技术领域

本发明涉及到一种动力学响应的分析方法，具体涉及到大型风电机组的三维实体建模、激励风载建模，以及整机的有限元分析，属于风力发电机技术领域。

背景技术

由于环境污染、能源短缺问题日益加剧，我国在新能源领域的开发、应用获得了突飞猛进的发展。截止2015年底，我国投入运行的风电装机总量达到1亿kW，年发电量高达1900亿千瓦时，无论是装机总量还是年发电量均为世界第一。目前，投入使用的主力机型均为兆瓦级以上。

我国已俨然成为风电大国，但远非风电制造的强国，一些技术瓶颈有待突破。随着风力机功率的不断增加，机组的结构尺寸也随之增大，几十乃至上百米的叶片已经成为常态。叶片和塔架等弹性体部件尺寸的增加导致系统的柔性增大，系统的振动响应突出，叶轮的挥舞、摆振、叶片扭转以及塔架和主轴振动的相互耦合增强，导致系统破坏的可能性大大提高，风电机组的稳定性面临重重考验。

从国内外风力机的实际应用情况来看，由于设计中对结构动力学问题研究不足，造成机组不能正常运转，甚至失效、损毁的案例时有发生。风力发电机不仅在运行过程中会出现损毁的状况，有些样机甚至在试运行期间就被迫终止，严重阻碍了风力发电机的技术革新，大功率风电机组的动力学分析成为风电装备制造面对的首要问题。

我国的风力发电虽然发展迅速，但与国外先进水平相比仍有较大差距。许多理论模型以及设计标准均直接参考国外产品，风力机结构动力学方面的短板非常突出。随着叶片翼展和塔架高度的日益增加，导致二者的柔性增强，在随机风载的扰动与激励下，风力机的动态响应表现出强烈的耦合特征，给机组的优化设计和运行安全带来巨大挑战。

国内外很多学者针对叶片、塔架等结构以及整机模型都进行了动力学分析的研究。刘雄等采用二节点梁对叶片进行离散化，同时将叶片旋转所产生的离散刚化作用和气动阻尼作用考虑在内，运用Newmark法和模态叠加原理计算叶片的动态响应。姜福杰采用大型有限元软件SAP2000对塔架的受力、模态和屈曲进行分析，初步探讨了塔架的优化设计问题。Donghoon Lee等将风力机视为刚性体和柔性体组成的耦合系统。通过数值模拟，研究了多柔性风力机系统的固有频率和模态。赵学勇等提出一种新的基于壳梁联结模式的风力机多体系统动力学建模方法，利用万向关节、圆柱关节和弹簧阻尼单元，对风力机塔架、叶片、机舱、轮毂、转轴和传动部分进行建模，并运用Timoshenko理论和拉格朗日方程对风力机系统进行了多体动力学分析。

但是目前已公开的专利中，大多是针对单独的风机构件展开研究，或是对于风电整机做一些初步的仿真模拟，很少从整机建模的角度来考虑风载建模以及求解动态响应。考虑到上述一些因素以及风力发电机结构的复杂性，如何通过以风力发电机整机动力学为核心的动态响应分析来解决这方面问题是本发明亟待解决的课题。

发明内容

本发明的目的是针对大型风力发电机由于动力学设计不足而引发故障的问题，提出一种兆瓦级风力发电机整机动力学分析方法，为了研究兆瓦级风电机组在随机风载激励下的工作特性，以及机组内部的振动耦合关系，本发明采用了“刚柔耦合建模—结构模态仿真—风载激励建模—动态响应仿真—耦合特性分析”的研究思路。结合Creo、MATLAB和ABAQUS等多个仿真平台，完成风力发电机的动力学求解，为风力发电机的优化设计和性能评估提供依据。