风力机叶片与整机的预应力振动模态分析-论文.pdf

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1、中国·包头职大学报2014年第4期风力机叶片与整机的预应力振动模态分析※刘卫红(湘潭职业技术学院，湖南省湘潭市111102)摘要：建立了lOkW水平轴风力机叶片及整机的模态分析计算模型和预应力模态分析计算模型。进行了风载荷和旋转离心力的施加，在完成网格划分、载荷与约束条件的添加后，进行了预应力下的振动模态分析．并将几种工况下的固有频率进行了对比。结果表明：仅有风载荷工况时，叶片和整机的固有频率基本没有变化；3"-同时有风载荷和旋转离心力时，随着风速的增加，固有频率有比较明显的增加，但当风速达到一定程度时，不再发生变化。关键词：叶片；风力机；预应力；模态分析；固

2、有频率中图分类号：TH132．46文献标识码：A文章编号：1671—1440(2014)04一()092—05模态分析是对零部件的动态特性(即频率和振架的风效应和位移响应、横风向塔架在尾涡激励下的风型)进行研究的有效手段，有限元模态分析是以理论效应和位移响应以及由风轮旋转而引起的位移响应。刘计算方法为基础。既能对零部件的固有频率进行准确厚林等[71运用ANSYS的模态分析功能对余热排出泵转的计算，还能清晰地查看其各阶振型。通过模态分析，子无预应力下的模态以及流固耦合作用力和旋转离心能够预判零部件的共振情况，对其结构的优化和避免力作用下的模态进行了对比分析。j博

3、等[Sl对20kW平共振方面有极大的帮助。轴风力机旋转叶片施加了重力和旋转离心力，并进行叶刘旺玉等(1通在考虑应力刚化效应的前提下对片建模和网格划分，最后完成预应力状态下的振动模态1．5MW风力机的主轴承的动态特性进行研究。李德分析。卢念等[91通过结合反求工程与有限元分析技术对源等嘲运用ANSYS结构分析软件对所设计的600kW水平轴风力机的桨叶进行了计算模态分析研究。风力机旋转风轮的振动模态作了仿真分析，得到了1风力机动力学模型风力机复合材料叶片应力刚化效应振动模态数值分1．1模态分析的计算模型析结果。赵娜等[31对风力机叶片进行模态分析及稳定建立风力机的

4、运动微分方程：性分析。李云松等[41用不同转速下叶轮旋转对叶片激[』体)+[q忙J+【}={(1)振频率的计算。通过比较有限元计算所得的固有频式中：嗍、[q、阍一质量、阻尼、刚度矩阵；率，分析了叶片的共振特性。张华等[51用有限元方法建{}、{}、{茁}一位移、速度、加速度向量；立了立轴风力机风轮的振动分析模型，分析了离心{J】～外力向量。力对风轮固有频率的影响。并运用此模型对500kW经过拉氏变换，可得振动方程的频域表达式：风力机风轮的振动模态作了仿真分析。王永智等[61阐2[[c]+[鲫(s))={))(2)述风力机塔架的固有频率和固有振型、顺风向下塔式中

5、：{))一激励向量；(s)}一响应向量。※基金项目：湖南省科技厅项目(2011GK3203)收稿日期：2Ol4—03一O2作者简介：刘~(1975-)，女，湘潭职业技术学院讲师，研究方向：机电工程。92令s=jw，引入模态坐标，使得))=】{q}(3)式中：【一为振型矩阵；[砌一为模态坐标。则式(2)可以转化为([Kil-w2[Mi]+jw[Ci]){q}=[(I)]T{F}(4)相互耦合的N个自由度系统的方程组经过正交变换，成为模态坐标下相互独立的N个自由度系统的方程组，解耦后的第i个方程为：a)网格划分b1约束条件图2叶片网格与约束条件丽f51由式(5)中

6、可看出，N自由度系统的响应在N个模2．2叶片的模态分析结果态坐标下可以理解为单自由度系统的响应之和。将模本文分别对叶片在无预应力、预应力和旋转预应力态质量归一化振型记为，运用归一方法使模态质量三种情况下进行模态分析，计算求得其前六阶模态．无归一．即预应力和预应力工况下前六阶频率如表1所示[]．I【[=【，】(6)表1有、无预应力工况下叶片前六阶固有频率fHz1[】[]=i】(7)工况一阶二阶三阶四阶五阶六阶无预应力7．992623．87131．75653．94676．4796．149可得WF、／丽，为模态固有频率。5．5m／s7．992723．87231．75

7、653．94676．4796．1491．2预应力模态分析计算模型8．5m／s7．992923．87231．75653．94676．4796．159．8m／s7．993023．87231．75653．946764796．15在进行有预应力存在时的模态分析前，首先需要11．5m／s7．993223．87231．75653．94676．4796．15对结构进行静力学分析，即求解以下方程：14．5m／s7．993623．87331．75753．94776．4796．15l=(8)由表l可看出，在五种不同风速时，叶片上在有预应由以上方程可以得出应力刚度矩阵用于计算结力的

8、情况下，固有频率并没有发生明显变化，在