[发明专利]风机叶片振动位移及其威布尔分布拟合方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种振动位移计算方法，特别涉及一种风机叶片振动位移及其威布尔分布拟合方法。

背景技术

目前风电在全球发展迅速，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装置功率和整机运行与稳定，它展向长、弦向短、柔性较好，是容易发生振动的细长弹性体，对其振动特性的研究十分重要。目前国内外学者针对风力机叶片动力响应开展了一系列的工作，利用各种不同的方法、从不同的侧面对叶片的动力特性进行了探索。

发明内容

本发明是针对风力机叶片参数计算要求高的问题，提出了一种风机叶片振动位移及其威布尔分布拟合方法，以风力机叶片的简化模型为研究对象，根据流体流动守恒定律建立了流体流动控制方程，利用Newmark法求解了结构运动控制方程，建立了计算叶片振动位移的数学模型，分别从叶片的流体域和结构域入手，计算了不同平均风速下叶片叶尖处的振动位移，达到高精度的计算结果。

本发明的技术方案为：一种风机叶片振动位移及其威布尔分布拟合方法，具体包括如下步骤：

1）运用Fluent和Ansys软件对风力机叶片振动位移进行求解:

a）流体域计算压力载荷：首先在Fluent中将叶片模型设置为刚性结构，然后在来流入口给定风速边界条件进行流场分析，得到模型表面的风压分布，并将模型表面在各种风速边界条件下的风压分布数据记录下来，生成压力荷载数据库；

b）结构域计算位移：在Ansys软件中将叶片的材料参数设置为正常，根据不同的风速条件，将荷载数据库中的风压加载到叶片模型上，然后利用有限元数值程序来计算和分析结构的振动情况，得到在不同平均风速作用下叶片叶尖处的振动位移；

2）设叶尖处的振动位移                                                随平均风速变化的曲线满足威布尔分布：

式中：是在不同平均风速作用下叶尖的振动位移，、分别为平均风速和位移的初值；、为威布尔分布的形状参数和尺度参数；

3）对步骤2）中公式进行简化后再进行最小二乘法拟合，求出威布尔分布的形状参数和尺度参数，得到叶尖振动位移随平均风速变化的曲线拟合公式为。

本发明的有益效果在于：本发明风机叶片振动位移及其威布尔分布拟合方法，结合国内外风力机叶片的理论研究和工程背景，建立了计算叶片振动位移的数学模型，分别从叶片的流体域和结构域入手，计算了不同平均风速下叶片叶尖处的振动位移，并以此为基础对风速位移变化曲线进行了威布尔分布拟合，经验证该拟合方法精度高，可以作为风机叶片振动计算方法的参考，大大提高计算效率。

附图说明

图1为本发明用于计算压力载荷的流场计算模型正视图；

图2为本发明用于计算压力载荷的流场计算模型左视图；

图3为本发明用于计算压力载荷的流场计算模型俯视图；

图4为本发明用于计算压力载荷的流场计算模型立体示意图；

图5为本发明结构域的有限元网格正视图；

图6为本发明结构域的有限元网格左视图；

图7本发明结构域的有限元网格立体示意图；

图8本发明叶尖振动位移随平均风速变化的曲线图。

具体实施方式

通过计算流体动力学软件FLUENT模拟了近海风场作用下叶片表面风压分布，并把流体域得出的风压作为结构域的压力载荷在ANSYS有限元分析软件中进行加载，进而计算出不同平均风速作用下风力机叶片叶尖处的振动位移，最后利用最小二乘法对风力机叶片叶尖处的振动位移随平均风速变化的曲线进行了威布尔分布拟合，得到风机叶片振动计算方法，结果表明该拟合方法精确度高。

流体域控制方程求解风压：

流体流动的基本守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，控制方程是这些守恒定律的数学描述。为了便于对上述控制方程进行分析，用同一程序进行求解，建立了控制方程的通用形式。用表示通用变量，控制方程可以表示为

                             

式中，——空气密度；——通用变量，可以代表各方向速度分量； ——广义扩散系数；——广义源项，——哈密顿算子。式中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项，对于特定的方程, ，，也具有特定的形式。对于连续性方程，取；对于动量方程，取，、为各方向速度分量；对于两方程湍流模型，；这里，指标取值范围是（1，2，3），，根据而定。