本书以实例分析的方法详细地介绍风力机专用翼型优化设计的方法和性能仿真过程。通过多种优化设计的方法确定最优风力机翼型，仿真模拟风力机在风场中的气动特性和动力学特性。全书共15章，内容包括风力机叶片设计基本理论及主要参数、风力机翼型的优化设计（采用多参数组合优化设计和正交试验两种优化设计方法）、基于遗传算法风力机叶片的优化设计、风力机叶片气动特性分析、材质对风力机叶片力学性能的影响、叶片多体动力学模型的建立、风力机叶片动力学仿真分析、风力机风轮模态分析、风力机刚柔耦合多体动力学模型的建立、风力机时域仿真分析和风力机主传动链动力学分析。
样章试读
目录
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前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 风力机国内外发展现状 3
1.2.1 风力机翼型研究 3
1.2.2 风力机的空气动力特性研究 5
1.2.3 风电机组动力学研究 8
1.3 本书的主要内容 9
参考文献 10
第2章 风力机叶片设计基本理论及主要参数 14
2.1 动量理论 14
2.1.1 Betz理论 14
2.1.2 旋转尾流动量理论 16
2.2 叶素理论 18
2.3 动量叶素理论 20
2.4 涡流理论 22
2.4.1 风轮的涡流系统 22
2.4.2 诱导速度的确定 22
2.4.3 轴向推力和转矩的表达式 23
2.4.4 风轮环形部位可得到的风能功率及理想风轮风能利用系数的最大值 24
2.4.5 最佳倾角和参数ClBc/r的最佳值 26
2.4.6 存在阻力的非理想风轮环状区达到的风能利用系数、最佳攻角 26
2.5 风力机叶片的主要参数 26
2.5.1 翼型几何参数 27
2.5.2 翼型空气动力学系数 28
本章小结 31
参考文献 31
第3章 风力机翼型几何参数取值范围的优化 32
3.1 翼型设计软件的选择 32
3.2 翼型气动特性分析软件的选择 33
3.3 翼型几何参数对气动特性的影响及取值范围 34
3.3.1 翼型相对厚度的影响 35
3.3.2 翼型最大厚度的弦长位置的影响 38
3.3.3 翼型相对弯度的影响 41
3.3.4 翼型最大弯度的相对位置的影响 44
3.3.5 翼型的前缘半径的影响 47
本章小结 50
参考文献 50
第4章 风力机翼型多参数组合优化设计 51
4.1 多参数组合优化设计的基本思路 51
4.1.1 最优参数组合的准则 51
4.1.2 最优参数组合设计 53
4.2 多参数组合优化设计结果 58
本章小结 61
参考文献 61
第5章 风力机翼型正交试验优化设计 62
5.1 正交试验优化设计的基本思路 62
5.2 翼型正交试验设计 62
5.2.1 试验指标的构成 63
5.2.2 确定试验的因素和水平 63
5.2.3 正交表的选择 64
5.2.4 正交试验的极差分析方法 64
5.2.5 正交试验设计及数据分析 65
5.3 风力机翼型的设计结果 68
本章小结 78
参考文献 79
第6章 3MW风力机叶片常规设计和三维建模 80
6.1 叶片的气动外形设计 80
6.1.1 设计风速v 80
6.1.2 风轮直径D 81
6.1.3 叶尖速比λ0 81
6.1.4 叶片数B 82
6.1.5 翼型分布 82
6.1.6 弦长和扭角的计算 84
6.1.7 弦长和扭角的修正 87
6.1.8 确定气动中心 88
6.2 叶片的三维建模 89
6.2.1 求解叶片各截面空间实际坐标 89
6.2.2 建立实体模型 90
本章小结 91
参考文献 91
第7章 基于遗传算法风力机叶片的优化设计 92
7.1 遗传算法概述 92
7.1.1 应用遗传算法设计风力机叶片的优势 92
7.1.2 多目标遗传算法基本定义 93
7.2 以年发电量最高为目标的叶片遗传算法优化设计 94
7.2.1 适应度函数 94
7.2.2 边界条件 95
7.2.3 优化设计程序及计算结果 95
7.3 以风能利用率最高为目标的叶片遗传算法优化设计 100
7.3.1 适应度函数 101
7.3.2 边界条件 101
7.3.3 优化设计程序及计算结果 101
7.4 多目标遗传算法优化 104
7.4.1 多目标遗传算法 104
7.4.2 优化结果 105
本章小结 106
参考文献 107
第8章 风力机叶片气动特性分析 108
8.1 风力机叶片的三维建模 108
8.2 风力机叶片气动特性仿真分析 109
8.2.1 某3MW风力机参数介绍 109
8.2.2 叶片流场计算域规划 109
8.2.3 网格划分 110
8.2.4 边界条件选取 111
8.2.5 翼型优化前五种工况叶片表面气动流场分析 111
8.2.6 叶片截面气动流场分析 112
8.2.7 叶片压力云图 116
8.2.8 叶片截面翼型压力云图 116
8.3 风力机叶片气动力学特性分析 117
8.3.1 风力机整机模型建立 117
8.3.2 气动力学特性分析 118
8.4 优化DJU-WA翼型叶片气动特性分析 121
8.4.1 DJU-WA翼型叶片表面气动流场分析 122
8.4.2 DJU-WA翼型叶片截面气动流场分析 122
8.4.3 DJU-WA翼型风力机输出功率 125
本章小结 126
参考文献 127
第9章 材质对风力机叶片力学性能的影响 128
9.1 风力机叶片结构及材料 128
9.1.1 叶片结构 128
9.1.2 叶片材料 129
9.2 铺层对叶片力学性能的影响 130
9.2.1 叶片几何模型建立 130
9.2.2 叶片铺层设计 131
9.2.3 叶片有限元模型建立 135
9.2.4 风力机叶片有限元分析 136
9.3 复合材料对叶片力学性能的影响 139
本章小结 142
参考文献 142
第10章 叶片多体动力学模型的建立 143
10.1 多体系统动力学建模研究 143
10.2 建立风力机叶片动力学模型 145
10.2.1 建立风力机叶片模型 145
10.2.2 风力机叶片的简化与假设 145
10.2.3 建立风力机叶片数学模型 146
10.2.4 建立y轴方向振动数学模型 146
10.2.5 建立z轴方向振动数学模型 148
10.2.6 建立x轴方向振动数学模型 151
10.2.7 建立绕x轴扭转振动数学模型 152
10.3 确定单元的弹簧系数 154
10.4 计算固有频率及振型 156
本章小结 157
参考文献 157
第11章 风力机叶片动力学仿真分析 158
11.1 振动对风力机叶片的影响 158
11.2 叶片的载荷类型 159
11.2.1 空气动力载荷 159
11.2.2 重力载荷 160
11.2.3 惯性力载荷 160
11.3 ADAMS与Pro/E联合仿真 161
11.3.1 ADAMS软件简介 161
11.3.2 ADAMS/Vibration振动模块 161
11.3.3 ADAMS和Pro/E联合仿真简介 162
11.4 风力机叶片几何模型建立 162
11.4.1 Pro/E软件介绍 162
11.4.2 风力机叶片实体建模 162
11.5 叶片振动仿真计算 163
11.5.1 模型导入ADAMS 163
11.5.2 ADAMS工作环境设置 164
11.5.3 添加约束 165
11.5.4 添加载荷 166
11.5.5 振动仿真 166
11.5.6 易变形位置研究 167
本章小结 169
参考文献 169
第12章 风力机风轮模态分析 170
12.1 风轮模型建立 170
12.2 风轮模态分析 171
12.3 GH Bladed建模研究 173
12.3.1 风力机叶片建模 173
12.3.2 建立风轮模型 174
12.3.3 风场加载 174
12.3.4 模态分析 175
12.3.5 ADAMS与GH Bladed仿真结果对比 178
本章小结 178
参考文献 178
第13章 风力机刚柔耦合多体动力学模型的建立 179
13.1 SIMPACK中建立风力机分段柔性体叶片动力学模型 179
13.1.1 气动节点的选择 180
13.1.2 翼型失速特性的计算 181
13.1.3 叶片的建模和模态分析 181
13.2 风力机刚柔耦合模型的建立 183
13.2.1 增速器等刚性部件的建模 183
13.2.2 整机动力学模型的建立 183
本章小结 186
参考文献 186
第14章 风力机时域仿真分析 187
14.1 风力机载荷情况 187
14.2 风电场风速统计模型 187
14.2.1 威布尔分布 187
14.2.2 瑞利分布 188
14.3 风力机切入、额定及切出风场的计算及模拟 188
14.3.1 三种工况的选择 188
14.3.2 风场的模拟 188
14.3.3 载荷的加载 189
14.4 GH Bladed风力机建模和风力机模型的验证 190
14.4.1 GH Bladed中建模 191
14.4.2 验证模型的正确性 192
14.5 载荷对风力机动力学特性的影响 193
本章小结 197
参考文献 198
第15章 风力机主传动链动力学分析 199
15.1 三种工况下的激励频率 199
15.2 整机的模态分析 200
15.3 风力机传动链的共振分析 200
15.3.1 低频段分析 201
15.3.2 中频段分析 203
15.3.3 高频段分析 205
15.4 潜在危险共振部件角加速度的FFT 208
本章小结 212
参考文献 212
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