《大型风力机刚柔耦合动力学特性分析》开题报告.ppt

大型风力机刚柔耦合动力学特性分析 报 告 人：×× 导 师：××× 湖南科技大学机电工程学院机械工程专业201×级硕士学位论文开题报告 主要提纲 研究背景与意义 国内外研究现状 研究内容与路线 工作计划 1 2 3 4 海上浮式风机整机刚柔混合多体系统的动力学建模方法研究 国家自然科学基金青年项目 一、立论依据—— 课题来源 海上浮式风机是近期内最具有开发潜力的新型风电技术。海上浮式风机(Floating offshore wind turbine，缩写为FOWT)为深海风能开发提供了有效的解决方案，已成为国内外海上风能发电研究的前沿与热点。近年来，中国风电装机容量连续翻番增长，迅速发展成为世界上风电装机量最大的国家，2013年底总装机容量达到0.9亿千瓦，占全球风电装机总容量的28.7%；我国深海域风能蕴藏及其丰富，东海和南海近海平均水深都在30m以上，风能资源约4.9亿千瓦，离海岸30公里外风能功率密度高达每平方米600瓦，居全球首位。 海上浮式风机动力学研究是我国海上风电产业发展的技术瓶颈。海上漂浮式风机开发难度远远大于陆地和近海固定式风机。根据英国CWIF的统计资料，2011年以来每年发生事故150余起。不少风力机在部件动力学性能足够的条件下，仍然发生了灾难性事故。这是由于海上浮式风机柔性较大，环境载荷作用下部件发生耦合振动，导致整机系统动力学行为不完全取决于各部件的动力学行为。所以，研究叶片与塔架的刚柔耦合效应对风机整体性能的影响具有重要的意义。 一、立论依据—— 研究背景与意义 典型的FOWT概念设计 一、立论依据—— 国内外研究现状 目前大多数研究是根据美国家能源部可再生能源实验室National Renewable EnergyLaboratory（NREL）公布的5MW风力机参数，而建立的研究模型。 FOWT仍处于概念设计和样机实验研究阶段，目前全球正在运行的只有挪威Hywind和美国WindFloat两个示范工程样机。 Hywind样机实验 WindFloat样机实验 目前国内外研究的主要方面 在阅读了近年来国内外大量参考文献的基础上，概括总结了目前对海上风力机研究的主要方面： 1、气动力学载荷计算 海上浮式风机通常为5MW以上的大型风力机，大功率的风力机意味着更长的叶片和更高的叶尖速度，叶片气动力学带来的载荷、位移和不稳定性具有重要的影响。浮式基础的运动造成叶片与气流相互作用，对叶片翼型的升力系数、阻力系数和扭转系数都具有显著影响。Andreas建立了风机气动弹性耦合分析模型，研究了摇荡运动下风轮叶片的颤振规律；叶小嵘、张亮采用叶素动量理论和Du-Selig动态失速修正模型，计算了浮式基础运动下的风力机气动性能的影响；Matha分析了刚性叶片在给定运动情况下的CFD分析结果。 2、水动力学载荷计算 一阶波浪载荷是海上结构物所受的波浪载荷主要成分，目前大多数水载荷计算只考虑一阶波浪载荷；尽管二阶波浪载荷数值比一阶波浪载荷小，但是对风力机的纵荡和纵摇有着重要的影响。obertson通过样机实验和FAST仿真结果对比，阐明了二阶水动力载荷对样机动力学响应的影响 一、立论依据—— 国内外研究现状 目前国内外研究的主要方面 3、锚泊系统非线性动力学分析 FOWT浮式基础在海洋环境载荷作用下的运动响应及锚泊缆索张紧力的计算非常重要。Matha应用多刚体法代替准静态缆索模型，有利于将缆索动力学模型与风力机模型集成建立整机动力学模型。缆索的动力学行为特征直接影响浮式风力机的稳定性及系统响应，不同水深、缆索数量及布置形式下的缆索张紧力及其动力学响应有待深入研究。 4、柔性风力机动力学分析 海上浮式风机细长的叶片和高耸的塔架使其大柔性变形与环境载荷相互作用，而且承受着巨大的运行风载荷，使得风力机和浮式基础在风和海波载荷联合作用下相互耦合运动。 较多研究者采用Hodges提出的变分渐近梁截面分析方法将叶片进行简化建模；Wang采用薄壁结构理论描述叶片和塔架的变形，建立了陆上风机刚柔混合多体动力学模型，研究了叶片和塔架的耦合振动特性周传捷、李德源等采用Adams与其余软件联合仿真研究叶片的刚柔耦合特性，Mutragh研究了考虑叶片和塔架耦合效应时风力机塔架的风振响应。因此，考虑叶片和塔架的变截面特征，提出准确的计入刚柔耦合效应的动力学模型，这是准确建立FOWT动力学模型和预测风浪流载荷下FOWT动力学性能的基础研究内容。 一、立论依据—— 国内外研究现状 一、立论依据—— 国内外研究现状 5、风浪流载荷作用下FOWT动力学分析 实际运行过程中，由于风、浪、流载荷的综合作用，叶片和塔架呈现出高阶耦合振动特性。王磊、何玉林采用Admas建立了NREL 5MW