柔性理論在大型風電機組塔架耦合結構中的應用

0多載荷耦合作用下的塔架結構動力學近年來，大型發電裝置的結構動態響應一直是許多科學家的研究重點。塔架是大型風電機組的主要承重結構，在降雨過程中，風與雨水通過耦合作用于風電機組。風與雨水的耦合載荷，塔架與葉片之間存在的結構耦合，葉片在轉動過程中的動力學參數變化異常，都將導致塔架結構的破壞。所以，對塔架進行風與雨水的耦合作用下的結構動力學分析是保證風電機組正常運行的必要條件。近年來許多學者對于塔架進行結構動力學研究，于良峰綜上所述，從某一載荷進行響應分析的研究較多，而進行多載荷的耦合響應分析的研究較少，因此，開展在多載荷耦合作用下的塔架結構動力學的研究非常重要。塔架對于整個風電機組結構的強度、剛度和共振頻率能夠起到調節作用。本文采用柔性理論的基本原理，建立三維結構動力學模型，分析了多載荷耦合作用的具體形式。利用Solidworks軟件流體與結構分析互補的嵌入技術，充分利用軟件優勢進行互補，能夠比較準確地計算出大型風電機組剛柔耦合系統動力學的動力響應參數變化情況，得出結構動力學參數帶來的實際意義，從而為風電機組的正常運行提供參考。1大型風電機組柔性多體系統的力學效應大型風電機組剛柔耦合系統是將塔架、葉片視為柔性體，將機艙視為相對剛體，通過一定的連接方式構成的柔性多體系統。研究柔性葉片的變形與其大范圍空間運動之間的相互耦合，以及塔架分段處的運動情況，對于考慮耦合效應的大型風電機組柔性多體系統具有一定的指導作用。柔性塔架、葉片的變形與剛體機艙之間的剛柔耦合效應，導致風電機組的動力學效應，這是柔性多體系統動力學在大型風電機組的具體應用。大型風電機組中塔架較高，甚至達到100m以上，而塔架是風電機組的根基，在多載荷耦合作用下，其結構動力學參數的變化情況直接影響風電機組的穩定性2風與雨水耦合風與雨水的多載荷耦合作用，即風、雨水的相互作用、相互影響。風載荷是隨機作用的，風與雨水的耦合具體表現在風與雨水的混合夾雜，雨水一般隨著風的作用直接受力于風電機組。風與雨水形成耦合作用，對塔架在強風條件下進行結構動力學分析是塔架在極端環境下運行的必要保證3分段方程的三維結構適用于基本控制方程大型風電機組塔架的某點在風與雨水的耦合作用下，分為3個平動位移（x每個剛體單元中的任意一點在參考坐標系中的位移為式中：T4結構動力學分析4.1塔架第一階和第二階段模態分析是進行振動特性研究的基本方法，模態振型圖是振動特性的主要特征，圖4為塔架前四階非零模態振型。第一階為塔架的扭轉模態振型，第一階頻率略低于第二階模態頻率，風電機組處于啟動階段，慣性矩較大。第二階無明顯變形，是一個過渡階段。第三階為俯仰揮舞，與第四階段構成耦合現象，即相互影響、相互作用。從前四階模態振型可以看出，最大振幅為0.37m，符合一般振動規律變化，一般不存在共振現象。4.2陣風方向變化圖5為在圖3載荷作用下的位移響應情況。由圖5可知，0～100s的塔頂位移變化曲線類似正弦曲線，但是0～10s的位移呈現線性增加，這是由于強風初始作用風力機葉片，葉片轉動過程中，與塔架結構耦合，類似一體化。塔架振動位移在0～0.60m內呈現類似周期性變化。1/3次諧波激勵頻率（0.56Hz）與一階固有頻率接近，為結構動力響應的主要頻率。陣風是在一定時間內，風速對于其平均值持續時間不大于2min的正或負偏離。陣風在一定程度上重復一個過程，下降、上升、下降，不斷循環，最后返回風速初始值。陣風與雨水的耦合常作用于風電機組，幅值和持續時間隨著周期的變化而變化，這是由于空氣的擾動帶來的結果。本文載荷選取陣風風速均值為11m/s，時間為50s，間隔為0.04s，強度變化的陣風與雨水耦合動載荷曲線如圖6所示。圖7為陣風雨水耦合作用條件下振動位移的變化情況。由圖6,7可知：在0～16s時，動載荷在410～420kN內呈現鋸齒波變化，振動位移為1.1～1.2m，在這個階段，風力機葉片受到平穩載荷，振動位移的變化幅值較為平穩；在16～30s時，風力機葉片受到極大的風載荷強度變化，偏航裝置跟蹤風向和大小作出調整，陣風載荷突然下降，然后上升、下降，返回初始值，在這個時間段，最大載荷為600kN，最小載荷為120kN，風力機葉片受到的風載荷波動極大，引起塔架位移的橫向振動，位移最大為2.0m；在30s以后，陣風恢復平穩載荷，塔架的振動位移也隨之平穩。在整個陣風載荷作用于風電機組的過程中，風強度的不穩定變化引起塔架位移的變化，塔架極大位移的變化持續時間較短，對于風電機組運行影響較小。陣風方向變化是幅值和持續時間按照一定規律的周期性變化，與雨水構成耦合。圖8為陣風方向變化的陣風耦合載荷曲線圖。時間間隔為0.04s，持續時間為50s，轉向角為-20～30°，風速為11m/s。圖9為振動位移響應情況。在0～18s過程中，塔架振動位移均值為0.82m，風機迎風向與風向夾角為0°，振動位移沒有較大變化，塔架位移在0.81～0.83m內變化；在20～40s過程中，振動位移出現較大波動，為0.48～1.22m，這是由于陣風轉向角變化極大，轉向角最大達到30°；在40～50s過程中，振動位移變化平穩，均值為1m。陣風在方向變化過程中，塔架承載逐漸減小，位移出現振蕩變化，這是由于在極端時間內，陣風方向的改變影響風力機迎風角瞬時改變，導致受載不均，從而使塔架振蕩位移變化加劇。5風荷載本文經過分析強陣風載荷的強度和方向變化以及結構動力學響應，得到如下結論。(1)在振動特性分析過程中，前四階模態振型的最大振幅為0.37m，極少發生共振現象。(2)在陣風雨水耦合過程中，強風在強度變化情況下，最大載荷為600kN，塔架振動位移均值為1.2m左右，振動位移變化較為平穩。在強風方向變化情況下，轉向角為-20～30°，塔架振動位移均值為0.82m左右，振蕩位移變化加劇。(