摘要
作为风力发电机的关键组成部件，风力机叶片因为结构组成复杂和所受载荷多变，自身的非线性特性较为显著。同时，为了提高风能利用率和风电产能，并降低发电成本，风力机大型化已经成为了风力机发展的必然趋势，风力机叶片的尺寸也随之增大，自身的柔性急剧增加。因此，以前的小变形假设已经难以对大型叶片的非线性大变形进行准确的描述，大型叶片的非线性问题研究已经成为风电领域的重点研究方向之一。 风力机叶片作为细长结构，通常被近似假设为梁模型来进行结构研究。现在常用的非线性梁模型主要有限元模型、多体动力学模型、绝对节点坐标模型以及几何精确梁模型。相比于自由度较多导致求解效率较低的有限元模型和绝对节点坐标模型，以及部分结构信息丢失的多体动力学模型，几何精确梁模型能以较少的节点自由度获得较高的计算精度，能准确地用于叶片的非线性动力学分析。 后掠型风力机叶片是通过将位于叶展方向处的翼型向尾缘弯曲而设计的叶片，具有自适应被动降载的特性，能在维持一定功率输出的同时，降低叶片所受载荷，是提高风电竞争力的新发展方向。本文基于几何精确梁理论，结合叶素动量理论，建立了后掠叶片的非线性气弹耦合动力学模型，具体的研究工作如下： （1）本文基于几何精确梁理论，使用四元数表达截面转动，采用Gauss-Lobatto积分法则，结合具有二阶精度的广义-α时间预测法迭代算法，建立了几何精确梁动力学模型，并通过算例验证了几何精确梁模型表达非线性梁动静态特性的准确性。 （2）以丹麦技术大学所提供的某10兆瓦级风力机叶片作为研究对象，结合翼型截面和复合材料铺层特性，加上后掠叶片积叠线的截面偏移量，建立了直叶片和后掠量分别为4、6、8米的后掠叶片的动力学模型，并计算出四种叶片的挠度，以及分别在静止和转动状态的模态分析结果，研究了叶片转速和后掠量对其模态特性的影响。 （3）采用叶素动量理论作为气动载荷，依据该风力机的运行参数，在输出功率保持相同的情况下，计算出直叶片与后掠叶片在12m/s风速下的气弹响应分析结果，分析对比后掠量对叶片气动特性的影响，为以后的后掠叶片外形设计和降载机理研究提供参考数据。
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