基于塔架-叶片耦合模型风力机全机风振疲劳分析

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1、第32卷第8期Vol.32No.8工程力学2015年8月Aug.2015ENGINEERINGMECHANICS36文章编号：1000-4750(2015)08-0036-06基于塔架-叶片耦合模型风力机全机风振疲劳分析11122柯世堂，王同光，胡丰，赵林，葛耀君(1.南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室，南京210016；2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092)摘要：以某5MW特大型风力机为例，提出了风力机全机结构风振疲劳的时域分析方法。采用谐波合成法和改进的叶素-动量理论产生了风力机运营状态的气动载荷，对风力机

2、塔架-叶片耦合结构进行了非线性风振时域分析。基于时程结果并结合线性累积损伤理论对风力机全机关键部位的风振疲劳寿命进行了预测，该方法充分考虑了风剪切、塔影、尾流影响、塔架-叶片之间的气动和模态干扰作用、叶片旋转效应的影响。算例分析表明，该文预测方法可有效估算水平轴风力机全机结构的疲劳损伤问题，相关研究结论可为超大型风力机全机结构的疲劳寿命预测提供科学依据。关键词：风力机全机结构；风振疲劳；气动载荷；时域分析；疲劳累积损伤中图分类号：TK83文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0102WIND-IND

3、UCEDFATIGUEANALYSISOFWINDTURBINESYSTEMBASEDONTOWER-BLADECOUPLEDMODEL11122KEShi-tang,WANGTong-guang,HUFeng,ZHAOLin,GEYao-jun(1.JiangsuKeyLaboratoryofHi-TechResearchforWindTurbineDesign,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China;2.StateKeyLaboratoryforDisa

4、sterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Takinga5MWlargewindturbinesystemasanexample,thepredictionmethodofwind-inducedfatigueofwindturbinesystemwasproposed.Theaerodynamicloadsonwindturbinesystemwerecalculatedwithharmonicsuperpositionmethod

5、andmodifiedblade-elementmomentumtheory,thenthenonlineartime-historywind-inducedresponsesofwindturbinetower-bladecoupledstructurewereanalyzed,inwhichthewindshear,towershadow,wakeeffect,tower-bladeaerodynamicinteraction,rotationaleffectsweretakenintoaccount.Basedonthecalculating

6、resultsthewind-inducedfatiguelifewaspredictedwithlinearcumulativedamagetheory.Thefatigueresiduallifecanbeestimatedaccuratelybythepredictionmethods,whichprovidesthescientificbasisforthefatiguelifepredictionoflargewindturbinessystem.Keywords:windturbinesystem;wind-inducedfatigue

7、;aerodynamicloads;time-domainanalysis;fatiguecumulativedamage风荷载作用下的水平轴风力机全机结构(塔架-在进行风力机抗风设计时，对塔架和叶片分开计算叶片)属于非线性耦合振动体系，脉动风荷载使得风设计，将作用在叶片上的随机风荷载等效为一个集力机体系处于交替受力状态，从而可能导致部分构中静力施加在塔架顶部。但在实际工程中，塔架绝[1―2]件的疲劳破坏。我国现行的相关设计规范规定大多数时间处于随机风荷载作用下的塔架-叶片耦———————————————收稿日期：2014-02-11；修改日期：2

8、014-05-05基金项目：国家973计划项目(2014CB046200)；国家自然科学基金项目(51208254)通讯作