柔性理論在大型風(fēng)電機(jī)組塔架耦合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

柔性理論在大型風(fēng)電機(jī)組塔架耦合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

0多載荷耦合作用下的塔架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)近年來(lái)，大型發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)一直是許多科學(xué)家的研究重點(diǎn)。塔架是大型風(fēng)電機(jī)組的主要承重結(jié)構(gòu)，在降雨過(guò)程中，風(fēng)與雨水通過(guò)耦合作用于風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)與雨水的耦合載荷，塔架與葉片之間存在的結(jié)構(gòu)耦合，葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化異常，都將導(dǎo)致塔架結(jié)構(gòu)的破壞。所以，對(duì)塔架進(jìn)行風(fēng)與雨水的耦合作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是保證風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的必要條件。近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)于塔架進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究，于良峰綜上所述，從某一載荷進(jìn)行響應(yīng)分析的研究較多，而進(jìn)行多載荷的耦合響應(yīng)分析的研究較少，因此，開(kāi)展在多載荷耦合作用下的塔架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究非常重要。塔架對(duì)于整個(gè)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和共振頻率能夠起到調(diào)節(jié)作用。本文采用柔性理論的基本原理，建立三維結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)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(jié)構(gòu)分析互補(bǔ)的嵌入技術(shù)，充分利用軟件優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算出大型風(fēng)電機(jī)組剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)的動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)變化情況，得出結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)帶來(lái)的實(shí)際意義，從而為風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行提供參考。1大型風(fēng)電機(jī)組柔性多體系統(tǒng)的力學(xué)效應(yīng)大型風(fēng)電機(jī)組剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)是將塔架、葉片視為柔性體，將機(jī)艙視為相對(duì)剛體，通過(guò)一定的連接方式構(gòu)成的柔性多體系統(tǒng)。研究柔性葉片的變形與其大范圍空間運(yùn)動(dòng)之間的相互耦合，以及塔架分段處的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)于考慮耦合效應(yīng)的大型風(fēng)電機(jī)組柔性多體系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)作用。柔性塔架、葉片的變形與剛體機(jī)艙之間的剛?cè)狁詈闲?yīng)，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，這是柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在大型風(fēng)電機(jī)組的具體應(yīng)用。大型風(fēng)電機(jī)組中塔架較高，甚至達(dá)到100m以上，而塔架是風(fēng)電機(jī)組的根基，在多載荷耦合作用下，其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化情況直接影響風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性2風(fēng)與雨水耦合風(fēng)與雨水的多載荷耦合作用，即風(fēng)、雨水的相互作用、相互影響。風(fēng)載荷是隨機(jī)作用的，風(fēng)與雨水的耦合具體表現(xiàn)在風(fēng)與雨水的混合夾雜，雨水一般隨著風(fēng)的作用直接受力于風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)與雨水形成耦合作用，對(duì)塔架在強(qiáng)風(fēng)條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是塔架在極端環(huán)境下運(yùn)行的必要保證3分段方程的三維結(jié)構(gòu)適用于基本控制方程大型風(fēng)電機(jī)組塔架的某點(diǎn)在風(fēng)與雨水的耦合作用下，分為3個(gè)平動(dòng)位移（x每個(gè)剛體單元中的任意一點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的位移為式中：T4結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析4.1塔架第一階和第二階段模態(tài)分析是進(jìn)行振動(dòng)特性研究的基本方法，模態(tài)振型圖是振動(dòng)特性的主要特征，圖4為塔架前四階非零模態(tài)振型。第一階為塔架的扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型，第一階頻率略低于第二階模態(tài)頻率，風(fēng)電機(jī)組處于啟動(dòng)階段，慣性矩較大。第二階無(wú)明顯變形，是一個(gè)過(guò)渡階段。第三階為俯仰揮舞，與第四階段構(gòu)成耦合現(xiàn)象，即相互影響、相互作用。從前四階模態(tài)振型可以看出，最大振幅為0.37m，符合一般振動(dòng)規(guī)律變化，一般不存在共振現(xiàn)象。4.2陣風(fēng)方向變化圖5為在圖3載荷作用下的位移響應(yīng)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(xiàn)線性增加，這是由于強(qiáng)風(fēng)初始作用風(fēng)力機(jī)葉片，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，與塔架結(jié)構(gòu)耦合，類似一體化。塔架振動(dòng)位移在0～0.60m內(nèi)呈現(xiàn)類似周期性變化。1/3次諧波激勵(lì)頻率（0.56Hz）與一階固有頻率接近，為結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的主要頻率。陣風(fēng)是在一定時(shí)間內(nèi)，風(fēng)速對(duì)于其平均值持續(xù)時(shí)間不大于2min的正或負(fù)偏離。陣風(fēng)在一定程度上重復(fù)一個(gè)過(guò)程，下降、上升、下降，不斷循環(huán)，最后返回風(fēng)速初始值。陣風(fēng)與雨水的耦合常作用于風(fēng)電機(jī)組，幅值和持續(xù)時(shí)間隨著周期的變化而變化，這是由于空氣的擾動(dòng)帶來(lái)的結(jié)果。本文載荷選取陣風(fēng)風(fēng)速均值為11m/s，時(shí)間為50s，間隔為0.04s，強(qiáng)度變化的陣風(fēng)與雨水耦合動(dòng)載荷曲線如圖6所示。圖7為陣風(fēng)雨水耦合作用條件下振動(dòng)位移的變化情況。由圖6,7可知：在0～16s時(shí)，動(dòng)載荷在410～420kN內(nèi)呈現(xiàn)鋸齒波變化，振動(dòng)位移為1.1～1.2m，在這個(gè)階段，風(fēng)力機(jī)葉片受到平穩(wěn)載荷，振動(dòng)位移的變化幅值較為平穩(wěn)；在16～30s時(shí)，風(fēng)力機(jī)葉片受到極大的風(fēng)載荷強(qiáng)度變化，偏航裝置跟蹤風(fēng)向和大小作出調(diào)整，陣風(fēng)載荷突然下降，然后上升、下降，返回初始值，在這個(gè)時(shí)間段，最大載荷為600kN，最小載荷為120kN，風(fēng)力機(jī)葉片受到的風(fēng)載荷波動(dòng)極大，引起塔架位移的橫向振動(dòng)，位移最大為2.0m；在30s以后，陣風(fēng)恢復(fù)平穩(wěn)載荷，塔架的振動(dòng)位移也隨之平穩(wěn)。在整個(gè)陣風(fēng)載荷作用于風(fēng)電機(jī)組的過(guò)程中，風(fēng)強(qiáng)度的不穩(wěn)定變化引起塔架位移的變化，塔架極大位移的變化持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行影響較小。陣風(fēng)方向變化是幅值和持續(xù)時(shí)間按照一定規(guī)律的周期性變化，與雨水構(gòu)成耦合。圖8為陣風(fēng)方向變化的陣風(fēng)耦合載荷曲線圖。時(shí)間間隔為0.04s，持續(xù)時(shí)間為50s，轉(zhuǎn)向角為-20～30°，風(fēng)速為11m/s。圖9為振動(dòng)位移響應(yīng)情況。在0～18s過(guò)程中，塔架振動(dòng)位移均值為0.82m，風(fēng)機(jī)迎風(fēng)向與風(fēng)向夾角為0°，振動(dòng)位移沒(méi)有較大變化，塔架位移在0.81～0.83m內(nèi)變化；在20～40s過(guò)程中，振動(dòng)位移出現(xiàn)較大波動(dòng)，為0.48～1.22m，這是由于陣風(fēng)轉(zhuǎn)向角變化極大，轉(zhuǎn)向角最大達(dá)到30°；在40～50s過(guò)程中，振動(dòng)位移變化平穩(wěn)，均值為1m。陣風(fēng)在方向變化過(guò)程中，塔架承載逐漸減小，位移出現(xiàn)振蕩變化，這是由于在極端時(shí)間內(nèi)，陣風(fēng)方向的改變影響風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)角瞬時(shí)改變，導(dǎo)致受載不均，從而使塔架振蕩位移變化加劇。5風(fēng)荷載本文經(jīng)過(guò)分析強(qiáng)陣風(fēng)載荷的強(qiáng)度和方向變化以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，得到如下結(jié)論。(1)在振動(dòng)特性分析過(guò)程中，前四階模態(tài)振型的最大振幅為0.37m，極少發(fā)生共振現(xiàn)象。(2)在陣風(fēng)雨水耦合過(guò)程中，強(qiáng)風(fēng)在強(qiáng)度變化情況下，最大載荷為600kN，塔架振動(dòng)位移均值為1.2m左右，振動(dòng)位移變化較為平穩(wěn)。在強(qiáng)風(fēng)方向變化情況下，轉(zhuǎn)向角為-20～30°，塔架振動(dòng)位移均值為0.82m左右，振蕩位移變化加劇。(