风力发电机叶片结构设计与动力学_郑玉巧,张岩,魏泰_9787568081528

全书内容主要包括，河西地区风况下叶片载荷模型的构建、河西地区风力三维空间分布的风特性数值模拟与重构；旋转叶片刚柔耦合动力学模型非线性问题求解方法、构建复杂风况下叶片刚柔耦合动力学模型；复合材料叶片的模型建立及静力学、风切变、塔影效应及气动弹性对叶片结构动力学的影响；覆冰对叶片气动性能的影响，西北区域准三维结冰叶片有限元建模方法；激励载荷与叶片动力学响应、复合材料叶片多向损伤协同演化模型的建模。叶片模态参数提取及灵敏度分析，风力机复合材料叶片模态灵敏度及稳健性优化、基于Kriging模型的叶片结构稳健性优化，风力机塔筒*优拉丁方试验，基于均匀设计的风力机塔筒结构参数优化，风电机组故障过程建模及监测理论及应用。

前言风电产业作为一种丰富洁净的可再生能源正在迅猛发展，叶片是风电机组能量吸收关键部件。影响风力机叶片稳定性能的因素包括多个方面。其中，风资源特性，叶片的非定长空气动力学性能，各向异性复合材料叶片的弯扭耦合特性，其气动与结构间的耦合关系等，是决定风力机叶片是否可知达到稳定、长寿命、高效、可靠运行等的关键性因素，本书内容涵盖近几年本课题组针对这些问题进行研究的部分科研成果，将叶片理论与工程应用有机结合，内容全面，结构完整，保证结构体系的完整性。本书以河西地区风况下运行的大型风力机柔性叶片为研究对象，开展复杂风况下柔性叶片动力学设计方面难题，构建区域风况环境下叶片载荷模型，提高叶片运行过程稳定性，进而解决区域化叶片优化设计问题。读者在风力机叶片模型构建等方面可参考本书，也可阅读其他相关资料，做进一步的拓展研究。本书共分为10章。第1章介绍西部风资源特点及风载模型，包括风资源评估、风况及风特性、风模型等；第2章几种风力机叶片载荷模型，包括空气动力载荷、重力载荷、离心力载荷；第3章介绍复合材料叶片气动外形计算模型；第4章叶片的有限元建模及尾缘结构设计，对叶片进行有限元模型构建并对其做强度校核研究，针对叶片强度校核中存在尾缘强度不足问题，提出结构优化设计方案；第5章叶片的结构优化；结合多目标遗传算法对叶片进行气动与结构耦合优化设计，使其整体性能达到*佳；第6章叶片模态参数提取及灵敏度。本章将叶片离散化为块区域采用遗传算法对叶片结构进行优化；第7章叶片结构稳健性。进行叶片铺层材料单层厚度尺寸优化时，提出一种稳健性优化方法；第8章准三维结冰叶片有限元建模方法，对水平轴风力机叶片结冰研究所需相关基础理论知识体系进行阐述；第9章覆冰对叶片气动性能影响，叶片r/R=0.8截面处叶素进行不同工况下结冰形态预测，对结冰翼型气动特性进行深入分析；第10章叶片动力学特性，重点研究叶片截面各自由度的刚度及阻尼参数的确定方法、截面扭转运动及外形变化的几何模型，并确定分析算法对叶片旋转过程的动态响应规律进行仿真计算模拟，验证并完善所建模型的性能。本书的相关研究内容以及本书出版得到国家自然科学基金项目(河西地区风况下风力机叶片的刚柔耦合颤振动力学问题研究项目编号：51565028，西北典型风资源环境下变刚度风力机叶片结构性能退化机理研究，项目编号：51965034) 甘肃省优势学科建设资助多个项目的资助，同时也得到兰州理工大学机电工程学院领导的大力支持，甘肃重通成飞新材料有限公司张政总经理、王国伟工程师的指导和帮助，在此表示诚挚的感谢。在本书的编撰过程中，郑玉巧负责全书的统筹和校稿。此外，课题组部分研究生负责文字和图形的整理工作，在内容排版方面，童晓磊负责第1章、第2章，李浩负责第3章、第4章，刘玉涵负责第5章、第6章；卢秉喜负责第7章、第8章，何正文负责第9章、第10章。在此对辛勤付出的研究生们表示感谢。本书的部分素材选自课题组已毕业研究生曹永勇、马辉东、刘哲言、潘永祥等人在校期间的相关研究工作，在此一并表示感谢。限于作者水平，书中难免有疏漏和不妥之处，诚请阅读本书的读者提出宝贵意见！郑玉巧2021年12月兰州理工大学

第1章西部风资源特点(1)

1.1风资源评估(1)

1.1.1测风塔实际选点具体要求(1)

1.1.2风向(2)

1.1.3风速(2)

1.2风资源评估基础理论(2)

1.2.1威布尔分布模型(3)

1.2.2瑞利分布模型(3)

1.2.3参数估计法(4)

1.2.4最小二乘法(4)

1.2.5极大似然估计法(5)

1.2.6风速拟合相关系数(6)

1.2.7平均风能密度和有效风能密度(6)

1.2.8风能参数实验指标值计算(7)

1.3风况及风特性分析(8)

1.3.1玫瑰图(8)

1.3.2垂直风切变及其分析方法(8)

1.3.3风速估计参数设计求解流程(10)

1.3.4风速分布参数估计实例(11)

1.3.5标准高度处风速分布(11)

本章参考文献(13)

第2章微观选址案例分析(15)

2.1测风塔概况(15)

2.1.1测风塔代表性分析(15)

2.1.2测风塔代表年选择(15)

2.2数据检验(15)

2.2.1完整性检验(16)

2.2.2合理性检验(16)

2.3不合理数据和缺测数据处理(17)

2.3.1缺测数据的处理(17)

2.3.2不合理数据的处理(17)

2.4风电场北部区域轮毂高度处风资源分析(17)

2.4.1平均风速和风功率密度(17)

2.4.2风速频率和风能频率分布(20)

2.4.3风向频率及风能密度频率分布(21)

2.5风电场场址空气密度(24)

2.6风电场区50年一遇最大风速计算(26)

本章参考文献(27)

第3章风速模型(29)

3.1叶片风载荷数学评价方法及其与风力发电机组间的相互作用关系(29)

3.2风速模型(30)

3.2.1Kaimal湍流模型(30)

3.2.2风剪切模型(32)

本章参考文献(33)

第4章风力发电机叶片载荷模型(35)

4.1叶片简介(35)

4.2叶片坐标系(36)

4.3叶片载荷来源(37)

4.3.1空气动力载荷(38)

4.3.2重力载荷(38)

4.3.3离心力载荷(39)

4.4叶片几何模型(40)

本章参考文献(44)

第5章叶片气动外形计算模型(46)

5.1叶片气动设计理论(46)

5.1.1贝茨理论(46)

5.1.2动量理论(48)

5.1.3叶素理论(49)

5.1.4叶素动量理论(51)

5.1.5涡流理论(51)

5.1.6塔影效果(52)

5.2叶片翼型参数及分析(52)

5.2.1翼型几何参数(53)

5.2.2翼型气动参数(54)

5.2.3作用于运动叶片上的力(54)

5.2.4升力系数与阻力系数(55)

5.2.5俯仰力矩系数(56)

5.2.6雷诺数(56)

5.2.7翼型表面粗糙度(57)

5.2.8马赫数(57)

5.2.9叶片翼型选择及其坐标分布(57)

5.2.10叶片翼型外形数据的获取(58)

5.2.11叶片翼型气动数据的获取(59)

5.2.12叶片主要功率产生区翼型S82524气动特性分析(59)

5.3Wilson叶片设计法(61)

5.3.1普朗特修正模型(62)

5.3.2Glauert修正和Wilson修正因子(64)

5.4叶片梢部损失和根部损失修正(65)

5.5偏斜气流修正(65)

5.6计算模型实例(66)

5.6.1弦长、扭角计算流程(66)

5.6.2扭角、弦长计算结果及其修正(67)

本章参考文献(69)

第6章叶片有限元建模(71)

6.1叶片结构设计简介(71)

6.1.1层合板结构设计原则(71)

6.1.2层合板设计方法(73)

6.1.3层合板强度校核准则(77)

6.1.4叶片结构及材料选择(78)

6.2叶片铺层设计(79)

6.2.1叶片材料力学性能(79)

6.2.2叶片参数化模型的构建(80)

本章参考文献(84)

第7章叶片尾缘结构设计(86)

7.1叶片静强度校核(86)

7.1.1静强度试验(86)

7.1.2静强度校核(87)

7.1.3叶片尾缘失效分析(90)

7.2不同工况下叶片气动力、气动剪力、弯矩的分布情况(90)

7.2.1叶片挠度(92)

7.2.2双向布铺层厚度(93)

7.2.3单向布铺层厚度(93)

7.2.4夹芯层厚度(93)

7.2.5叶根增强层厚度(95)

7.3叶片结构计算结果与分析(96)

7.4叶片尾缘结构优化(99)

7.4.1尾缘建模(99)

7.4.2尾缘结构优化(100)

本章参考文献(102)

第8章复合材料叶片的结构优化(104)

8.1遗传算法(104)

8.1.1遗传算法简介(104)

8.1.2叶片结构优化(106)

8.1.3遗传算法过程(106)

8.1.4遗传算法对约束条件的处理(106)

8.2叶片外形参数优化数学模型的建立(107)

8.2.1确定的设计变量情况(107)

8.2.2确定优化目标(108)

8.2.3设计的适应度函数(108)

8.3叶片气动性能优化设计程序(109)

8.4优化结果分析(109)

8.5叶片结构优化数学模型(111)

8.5.1构建质量最小的叶片优化数学模型(112)

8.5.2铺层优化设计计算(113)

8.5.3叶片主梁结构优化模型(114)

8.6柔性叶片气动、结构参数耦合优化(117)

8.6.1优化设计的建模(117)

8.6.2气动与结构优化计算(118)

本章参考文献(119)

第9章叶片模态参数提取及灵敏度(121)

9.1风力发电机叶片模态分析(121)

9.2叶片模态灵敏度(123)

9.2.1模态灵敏度(123)

9.2.2叶片模态(124)

9.2.3叶片模态灵敏度(124)

9.3风力发电机叶片结构参数优化(127)

9.3.1优化设计方案(127)

9.3.2优化结果及分析(128)

本章参考文献(129)

第10章叶片结构稳健性(131)

10.1Kriging模型建模理论(131)

10.1.1基于实验设计Kriging近似模型(131)

10.1.2基于Monte Carlo（蒙特卡罗）方法模拟稳健性参数(132)

10.2叶片铺层参数稳健性优化(133)

10.2.1叶片铺层参数优化数学模型(133)

10.2.2叶片结构传统优化算例1(134)

10.2.3叶片结构稳健性优化算例2(136)

10.2.4结果分析与讨论(137)

本章参考文献(140)

第11章准三维结冰叶片有限元建模方法(142)

11.1叶片结冰理论简介(142)

11.1.1结冰气象条件(142)

11.1.2结冰类型(142)

11.1.3影响叶片结冰的主要因素(143)

11.2准三维结冰叶片有限元建模(144)

11.2.1二维翼型结冰计算方法(144)

11.2.2各关键截面结冰形态(150)

11.3叶片静力学特性(154)

11.3.1叶片静力学分析(154)

11.3.2初始条件设置(154)

11.3.3结果分析(156)

本章参考文献(157)

第12章覆冰对叶片气动性能的影响(159)

12.1二维结冰计算方法(159)

12.1.1验证方法(159)

12.1.2NACA 4409翼型网格划分(160)

12.1.3验证结果分析(160)

12.1.4结冰翼型气动性能预测(161)

12.2结冰叶片模型(164)

12.2.1GL 2010规范指定结冰质量(164)

12.2.2叶片结冰质量计算方法(165)

12.3叶片稳态载荷计算(167)

本章参考文献(170)

第13章风力发电机叶片流固耦合分析及稳定性分析(172)

13.1叶片运动学微分方程(172)

13.2流固耦合环境下的叶片响应分析(174)

13.2.1建立流固耦合流场计算模型(174)

13.2.2流场网格的划分(174)

13.2.3流固耦合的边界条件设置方法(175)

13.2.4流固耦合数值模拟结果及分析(175)

13.3叶片屈曲稳定性(179)

13.3.1叶片屈曲理论(179)

13.3.2屈曲稳定性分析方法(180)

13.3.3屈曲稳定性分析结果与讨论(180)

本章参考文献(183)

第14章风力发电机叶片振动响应分析(184)

14.1叶片模态分析(184)

14.1.1叶片材料参数和约束(184)

14.1.2网格划分(185)

14.1.3分析类型及求解选项设置(186)

14.2叶片预应力模态分析结果与讨论(187)

14.3结冰叶片模态分析(190)

本章参考文献(194)

第15章风力发电机叶片动力学分析及疲劳分析(196)

15.1叶片动力学特征方程(196)

15.2叶片振动谐响应分析(197)

15.2.1谐响应分析基本流程(197)

15.2.2叶片振动谐响应分析(198)

15.3叶片疲劳寿命(199)

15.3.1线性疲劳累计损失理论(200)

15.3.2叶片疲劳载荷谱(201)

本章参考文献(205)

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