岳 勇

（新疆新能鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830017）

0 引言

風(fēng)能，是一種無污染，且應(yīng)用前景非常廣闊的綠色能源，作為一種可持續(xù)、可再生的優(yōu)質(zhì)能源，在全球提倡低碳環(huán)保的前提下，這種能源已經(jīng)引起了更多的國家參與進(jìn)來，并且也建立起了越來越多的風(fēng)力發(fā)電廠，風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展也是迅速成長起來，更多優(yōu)質(zhì)的、低投入風(fēng)力發(fā)電機(jī)投入使用。在現(xiàn)代的電力發(fā)展方面，水力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成了電力供應(yīng)的主流設(shè)備。對大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在柔性多體動(dòng)力學(xué)方面的研究，將在很大程度上影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的改進(jìn)和設(shè)計(jì)。本文通過ADAMS，對當(dāng)下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)建立分析模型，得到相關(guān)的參數(shù)特征，并與剛性葉片做出比較，從而得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)在柔性多體動(dòng)力學(xué)方面的優(yōu)勢。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)特征

由于現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電機(jī)大都會(huì)因?yàn)樗幍墓ぷ鳝h(huán)境的變化以及它本身組成結(jié)構(gòu)的不同，所表現(xiàn)出來的動(dòng)力學(xué)特征也跟普通的機(jī)械系統(tǒng)在很多方面的不同。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)需要適應(yīng)不同強(qiáng)度的風(fēng)力以及時(shí)刻存在的變風(fēng)載工，有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)常常會(huì)處于失速狀態(tài)，針對這樣嚴(yán)酷的工作環(huán)境，有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要持續(xù)使用很長時(shí)間，這就給風(fēng)力發(fā)電機(jī)在葉片以及塔架的柔性變形這一方面提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

1.1 葉片的動(dòng)力學(xué)特征

在ADAMS 中建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的數(shù)學(xué)模型，通過這個(gè)模型，對葉片所承受的最大風(fēng)力以及葉片的柔性變形能力和葉片上的應(yīng)力情況做出分析，通過這樣的分析能夠?qū)θ~片本身的抗風(fēng)能力以及在陣風(fēng)環(huán)境下的工作情況有所了解。相比于其他的建模軟件，ADAMS 能提供一維梁單元的簡化操作，還能夠提供所有試驗(yàn)情況下葉片的變形和應(yīng)力能力等方面的精確數(shù)據(jù)。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征

在ADAMS 中建立傳動(dòng)系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型，首先就需要根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)理論，通過對傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件比如： 齒輪、軸承和軸系等添加相應(yīng)的約束條件來模擬時(shí)間環(huán)境中的復(fù)雜風(fēng)力情況，建立任意一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)方程和動(dòng)力方程，從而形成傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。這樣就完成了在ADAMS 中對傳動(dòng)系統(tǒng)的建模。在ADAMS 中可以通過應(yīng)用已經(jīng)形成的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程對風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)以及軸承和軸系的自然頻率等方面作出分析，進(jìn)而得知行星輪、太陽輪以及動(dòng)力傳輸系統(tǒng)中所有的齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)傳動(dòng)誤差的變化規(guī)律。

1.3 整機(jī)的動(dòng)力學(xué)特征

若需在ADAMS 中得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，就需要在ADAMS 中建立耦合風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片模型、傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型以及電機(jī)模型，進(jìn)而組裝形成。通過在ADAMS 中建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)的模型，可以完全1:1 模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)以及發(fā)電還有關(guān)閉過程，全面檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)在自然環(huán)境下，承受不同風(fēng)力變化時(shí)葉片和塔架的柔性變形能力和應(yīng)力能力。還可以在這個(gè)模型中獲取恒定風(fēng)力下發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中各齒輪部件的位移和動(dòng)態(tài)合力。

1.4 柔性部件的變形和應(yīng)力

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的柔性部件研究是本文研究的重點(diǎn)之一。同時(shí)，作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組成部件，它們的柔性變形能力和應(yīng)力分布情況也關(guān)系著一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)是否能夠投入使用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的柔性部件包括葉片和塔架。在ADAMS 中建立這兩個(gè)柔性部件需要依據(jù)拉格朗日方程對葉片和塔架進(jìn)行變形方程的定義，從而得到整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。在ADAMS 環(huán)境下，研究人員也可以做與自然環(huán)境下1:1 的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對葉片以及塔架在不同等級的風(fēng)力之下，柔性變形能力和應(yīng)力分布情況等進(jìn)行研究，得出相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

2 模型的建立

在研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)柔性多體動(dòng)力學(xué)之前，首先需要在ADAMS 環(huán)境下建立相應(yīng)的葉片模型、塔架模型、葉輪模型等。

2.1 葉輪多柔體模型

在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪建立模型研究時(shí)，一般不采用建立鋼體模型的方法來研究，因?yàn)閷⑷~輪當(dāng)做一種鋼體機(jī)構(gòu)研究的話，雖然能夠得到一些數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)與實(shí)際相比存在較大的差異，實(shí)際中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在承受不同等級風(fēng)力時(shí)，都會(huì)發(fā)生一定程度的形變和位移，這就需要在研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪時(shí)，在ADAMS 中建立葉輪多柔體模型，這樣不僅可以真實(shí)的看到葉輪在工作時(shí)的動(dòng)態(tài)行為，還可以直觀的觀察風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)力下的應(yīng)力情況。ADAMS 通過賦予葉輪和塔架一個(gè)模態(tài)集的方式，將整體的模態(tài)柔性當(dāng)做風(fēng)力發(fā)電機(jī)柔性部件的彈性，用模態(tài)向量和坐標(biāo)表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)在工作時(shí)面對不同等級風(fēng)力所產(chǎn)生的位移情況，對于模型中葉輪或者是其他的一些部件發(fā)生的位移和時(shí)間ADAMS 都會(huì)對其作出記錄，以便在之后建立變形方程時(shí)使用。

2.2 葉輪多柔體模型的運(yùn)動(dòng)關(guān)系創(chuàng)建

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一完整的鋼結(jié)構(gòu)體，它的各個(gè)部件之間是通過螺栓連接的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)都有三個(gè)葉片和一個(gè)塔架以及軸承組成，一般的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的組裝一共需要使用62 個(gè)剛性連接螺栓來將葉片和塔架以及軸承連接起來。

2.3 葉輪模型載荷和加載

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用需要在超過一定級別的風(fēng)力地區(qū)，這樣的使用環(huán)境對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說算是異常嚴(yán)苛了，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在這樣的環(huán)境中，所承受的載荷工況都會(huì)隨著周圍環(huán)境以及風(fēng)力的變化而改變，所以，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)作常常會(huì)處于一種失速狀態(tài)中。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)力變化情況下的載荷和加載，要在ADAMS 中模擬這種情況是比較困難的，但ADAMS 的優(yōu)點(diǎn)就在于使用ADAMS 建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型研究它的柔性多體動(dòng)力學(xué)時(shí)不需要考慮風(fēng)力變化，只需要將環(huán)境變化加載進(jìn)去就可以了。

（1）載荷計(jì)算。對特殊環(huán)境下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)做出柔性多體動(dòng)力學(xué)的研究，就必須在ADAMS 環(huán)境中計(jì)算出不同風(fēng)力下葉片的應(yīng)力分布情況。當(dāng)下對這種應(yīng)力分布情況的計(jì)算，最有效、最科學(xué)的要數(shù)葉素理論了。研究葉片的應(yīng)力分布情況時(shí)，只需要將葉片合理的分成幾個(gè)段，每個(gè)段之間假設(shè)不存在力的相互作用和干擾，每個(gè)分段上所承受的力就可以單獨(dú)拿出來分析，然后再將所有的段加起來得到整個(gè)葉片承受的風(fēng)力。由于每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片都是一種特殊的、能夠減輕風(fēng)對葉片的升力和阻力的結(jié)構(gòu)，所以在利用葉素理論計(jì)算每個(gè)段的應(yīng)力情況時(shí)，需要將風(fēng)給予葉片的升力和阻力抵消掉一部分，將剩下的力作為葉片所承受的力，只有這樣一次計(jì)算每一個(gè)段的力，再將每個(gè)段的力相加，才能得出整個(gè)葉片的受力扭矩。

（2）載荷加載。要在ADAMS 中對葉片實(shí)行載荷加載，就需要在ADAMS 中編寫一段能夠?qū)⑷~片承受的整體風(fēng)力添加到葉片上的方程。作為整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)最重要的部件，之所以能夠產(chǎn)生電能，是通過葉片在風(fēng)力的壓迫下轉(zhuǎn)動(dòng)，再將這部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在這個(gè)過程中葉片是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。對葉片進(jìn)行柔性多體動(dòng)力學(xué)分析，首先要對葉片的受力情況進(jìn)行分析。當(dāng)葉片禁止的時(shí)候，葉片承受的力包括自身的重力和塔架給它的支撐力。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在重力和支撐力的基礎(chǔ)上再加上空氣動(dòng)力和轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力。風(fēng)在帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)施加在葉片上的載荷都是沿著葉片表面分布的。之前所涉及到的葉輪扭矩會(huì)隨著葉輪形狀的改變而改變，所以，在ADAMS 中對葉輪加載載荷時(shí)需要通過對葉片質(zhì)量中心的三個(gè)點(diǎn)施加約束力實(shí)現(xiàn)的。

3 仿真分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

在ADAMS 中進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的柔性多體動(dòng)力學(xué)研究，需要對相應(yīng)的一些仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)中需要設(shè)置的參數(shù)包括： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片形狀、長度；塔架的高度；風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需要承受的5～8中級別的風(fēng)力環(huán)境；風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身的兩個(gè)柔性部件的變形能力和應(yīng)力變形能力；仿真時(shí)間以及實(shí)驗(yàn)步數(shù)等。由于ADAMS 環(huán)境下的仿真時(shí)間不能完全模擬現(xiàn)實(shí)情況，所以程序的設(shè)置關(guān)系到了每一步實(shí)驗(yàn)的誤差程度，步數(shù)越多，得到的數(shù)據(jù)越多，最后計(jì)算的誤差也就越小。在ADAMS 中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)可以在ADAMS 自帶的數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)的方程使用比如： 拉格朗日方程、運(yùn)動(dòng)方程、變形方程等。

3.2 葉輪動(dòng)力學(xué)仿真分析

將之前的所有需要設(shè)置的量設(shè)置好以后，就可以對風(fēng)力放電機(jī)的柔性多體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究了。在這個(gè)過程當(dāng)中，每個(gè)步數(shù)中都會(huì)產(chǎn)生這個(gè)時(shí)間點(diǎn)的所有結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算之后，就能夠得出大概的葉片在風(fēng)里影響下的變形方程了。

4 動(dòng)力剛化

動(dòng)力剛化現(xiàn)象又稱為應(yīng)力剛度、幾何剛度、幾何非線性、運(yùn)動(dòng)誘發(fā)剛度、初始應(yīng)力剛度，是由于作大范圍空間運(yùn)動(dòng)的柔性體因運(yùn)動(dòng)和變形之間的相互耦合而導(dǎo)致的柔性體剛度的增大，這種現(xiàn)象被稱之為動(dòng)力剛化。在ADAMS 環(huán)境中進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的柔性多體動(dòng)力學(xué)研究時(shí)必須將動(dòng)力剛化現(xiàn)象考慮進(jìn)去，因?yàn)橛袆?dòng)力剛化的出現(xiàn)，將會(huì)影響葉片在高速運(yùn)動(dòng)下，傳統(tǒng)柔性多體動(dòng)力學(xué)研究所計(jì)算出來的數(shù)據(jù)與沒有出現(xiàn)動(dòng)力剛化現(xiàn)象時(shí)所得到的的計(jì)算結(jié)果存在較大的偏差。在ADAMS 環(huán)境中進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的柔性多體動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，可以在ADAMS 中采用非線性有限元和附加剛度以及變形耦合等方法來抵消由于動(dòng)力剛化產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偏差。

5 結(jié)論

在ADAMS 環(huán)境中進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的柔性多體動(dòng)力學(xué)研究，是一種新的研究方向。通過在ADAMS 環(huán)境下設(shè)置相應(yīng)的量的參數(shù)，基本上可以進(jìn)行與外界真實(shí)環(huán)境1:1 的仿真實(shí)驗(yàn)，這對于一種新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)生有這重大意義。對于本文中論述到的相關(guān)研究方法希望能夠?qū)淼娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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