探究風力發電機的柔性多體動力學

岳 勇

（新疆新能鋼結構有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830017）

0 引言

風能，是一種無污染，且應用前景非常廣闊的綠色能源，作為一種可持續、可再生的優質能源，在全球提倡低碳環保的前提下，這種能源已經引起了更多的國家參與進來，并且也建立起了越來越多的風力發電廠，風力發電機技術的發展也是迅速成長起來，更多優質的、低投入風力發電機投入使用。在現代的電力發展方面，水力發電和風力發電已經成了電力供應的主流設備。對大型的風力發電機在柔性多體動力學方面的研究，將在很大程度上影響風力發電機的改進和設計。本文通過ADAMS，對當下的風力發電機建立分析模型，得到相關的參數特征，并與剛性葉片做出比較，從而得出風力發電機在柔性多體動力學方面的優勢。

1 風力發電機的動力學特征

由于現代的風力發電機大都會因為它所處的工作環境的變化以及它本身組成結構的不同，所表現出來的動力學特征也跟普通的機械系統在很多方面的不同。因為風力發電機需要適應不同強度的風力以及時刻存在的變風載工，有的風力發電機常常會處于失速狀態，針對這樣嚴酷的工作環境，有的風力發電機需要持續使用很長時間，這就給風力發電機在葉片以及塔架的柔性變形這一方面提出了嚴重的挑戰。

1.1 葉片的動力學特征

在ADAMS 中建立風力發電機葉片的數學模型，通過這個模型，對葉片所承受的最大風力以及葉片的柔性變形能力和葉片上的應力情況做出分析，通過這樣的分析能夠對葉片本身的抗風能力以及在陣風環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情況下葉片的變形和應力能力等方面的精確數據。

1.2 傳動系統的動力學特征

在ADAMS 中建立傳動系統的多體動力學模型，首先就需要根據多體動力學理論，通過對傳動系統中的重要部件比如： 齒輪、軸承和軸系等添加相應的約束條件來模擬時間環境中的復雜風力情況，建立任意一個物體的運動方程和動力方程，從而形成傳動系統的動力學方程。這樣就完成了在ADAMS 中對傳動系統的建模。在ADAMS 中可以通過應用已經形成的傳動系統動力學方程對風力發電機傳動系統以及軸承和軸系的自然頻率等方面作出分析，進而得知行星輪、太陽輪以及動力傳輸系統中所有的齒輪系統的動態傳動誤差的變化規律。

1.3 整機的動力學特征

若需在ADAMS 中得到風力發電機整機的動力學模型，就需要在ADAMS 中建立耦合風力發電機風輪葉片模型、傳動系統動力學模型以及電機模型，進而組裝形成。通過在ADAMS 中建立風力發電機整機的模型，可以完全1:1 模擬風力發電機的啟動以及發電還有關閉過程，全面檢測風力發電機整機在自然環境下，承受不同風力變化時葉片和塔架的柔性變形能力和應力能力。還可以在這個模型中獲取恒定風力下發電機傳動系統中各齒輪部件的位移和動態合力。

1.4 柔性部件的變形和應力

對風力發電機上的柔性部件研究是本文研究的重點之一。同時，作為風力發電機的重要組成部件，它們的柔性變形能力和應力分布情況也關系著一臺風力發電機是否能夠投入使用。風力發電機中的柔性部件包括葉片和塔架。在ADAMS 中建立這兩個柔性部件需要依據拉格朗日方程對葉片和塔架進行變形方程的定義，從而得到整個系統的動力學方程。在ADAMS 環境下，研究人員也可以做與自然環境下1:1 的力學實驗，對葉片以及塔架在不同等級的風力之下，柔性變形能力和應力分布情況等進行研究，得出相關數據信息。

2 模型的建立

在研究風力發電機柔性多體動力學之前，首先需要在ADAMS 環境下建立相應的葉片模型、塔架模型、葉輪模型等。

2.1 葉輪多柔體模型

在對風力發電機的葉輪建立模型研究時，一般不采用建立鋼體模型的方法來研究，因為將葉輪當做一種鋼體機構研究的話，雖然能夠得到一些數據，但這些數據與實際相比存在較大的差異，實際中的風力發電機在承受不同等級風力時，都會發生一定程度的形變和位移，這就需要在研究風力發電機葉輪時，在ADAMS 中建立葉輪多柔體模型，這樣不僅可以真實的看到葉輪在工作時的動態行為，還可以直觀的觀察風力發電機在不同風力下的應力情況。ADAMS 通過賦予葉輪和塔架一個模態集的方式，將整體的模態柔性當做風力發電機柔性部件的彈性，用模態向量和坐標表示風力發電機在工作時面對不同等級風力所產生的位移情況，對于模型中葉輪或者是其他的一些部件發生的位移和時間ADAMS 都會對其作出記錄，以便在之后建立變形方程時使用。

2.2 葉輪多柔體模型的運動關系創建

風力發電機是一完整的鋼結構體，它的各個部件之間是通過螺栓連接的。風力發電機都有三個葉片和一個塔架以及軸承組成，一般的風力發電機的組裝一共需要使用62 個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

風力發電機的使用需要在超過一定級別的風力地區，這樣的使用環境對于風力發電機來說算是異常嚴苛了，風力發電機在這樣的環境中，所承受的載荷工況都會隨著周圍環境以及風力的變化而改變，所以，風力發電機的運作常常會處于一種失速狀態中。對于風力發電機在風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 的優點就在于使用ADAMS 建立風力發電機模型研究它的柔性多體動力學時不需要考慮風力變化，只需要將環境變化加載進去就可以了。

（1）載荷計算。對特殊環境下的風力發電機做出柔性多體動力學的研究，就必須在ADAMS 環境中計算出不同風力下葉片的應力分布情況。當下對這種應力分布情況的計算，最有效、最科學的要數葉素理論了。研究葉片的應力分布情況時，只需要將葉片合理的分成幾個段，每個段之間假設不存在力的相互作用和干擾，每個分段上所承受的力就可以單獨拿出來分析，然后再將所有的段加起來得到整個葉片承受的風力。由于每個風力發電機的葉片都是一種特殊的、能夠減輕風對葉片的升力和阻力的結構，所以在利用葉素理論計算每個段的應力情況時，需要將風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，只有這樣一次計算每一個段的力，再將每個段的力相加，才能得出整個葉片的受力扭矩。

（2）載荷加載。要在ADAMS 中對葉片實行載荷加載，就需要在ADAMS 中編寫一段能夠將葉片承受的整體風力添加到葉片上的方程。作為整個風力發電機最重要的部件，之所以能夠產生電能，是通過葉片在風力的壓迫下轉動，再將這部分動能轉化為機械能，再將機械能轉化為電能。在這個過程中葉片是最重要的一個環節。對葉片進行柔性多體動力學分析，首先要對葉片的受力情況進行分析。當葉片禁止的時候，葉片承受的力包括自身的重力和塔架給它的支撐力。轉動時，在重力和支撐力的基礎上再加上空氣動力和轉動的離心力。風在帶動葉片轉動時，風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需要通過對葉片質量中心的三個點施加約束力實現的。

3 仿真分析

3.1 參數設置

在ADAMS 中進行風力發電機的柔性多體動力學研究，需要對相應的一些仿真實驗進行參數設置。在這個仿真實驗中需要設置的參數包括： 風力發電機的葉片形狀、長度；塔架的高度；風力發電機所需要承受的5～8中級別的風力環境；風力發電機本身的兩個柔性部件的變形能力和應力變形能力；仿真時間以及實驗步數等。由于ADAMS 環境下的仿真時間不能完全模擬現實情況，所以程序的設置關系到了每一步實驗的誤差程度，步數越多，得到的數據越多，最后計算的誤差也就越小。在ADAMS 中進行仿真實驗可以在ADAMS 自帶的數據庫中提取相關的方程使用比如： 拉格朗日方程、運動方程、變形方程等。

3.2 葉輪動力學仿真分析

將之前的所有需要設置的量設置好以后，就可以對風力放電機的柔性多體動力學進行研究了。在這個過程當中，每個步數中都會產生這個時間點的所有結構變形數據，在計算機中將這些數據進行統計計算之后，就能夠得出大概的葉片在風里影響下的變形方程了。

4 動力剛化

動力剛化現象又稱為應力剛度、幾何剛度、幾何非線性、運動誘發剛度、初始應力剛度，是由于作大范圍空間運動的柔性體因運動和變形之間的相互耦合而導致的柔性體剛度的增大，這種現象被稱之為動力剛化。在ADAMS 環境中進行風力發電機的柔性多體動力學研究時必須將動力剛化現象考慮進去，因為有動力剛化的出現，將會影響葉片在高速運動下，傳統柔性多體動力學研究所計算出來的數據與沒有出現動力剛化現象時所得到的的計算結果存在較大的偏差。在ADAMS 環境中進行風力發電機的柔性多體動力學研究時，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力剛化產生的數據偏差。

5 結論

在ADAMS 環境中進行風力發電機的柔性多體動力學研究，是一種新的研究方向。通過在ADAMS 環境下設置相應的量的參數，基本上可以進行與外界真實環境1:1 的仿真實驗，這對于一種新型的風力發電機的設計和產生有這重大意義。對于本文中論述到的相關研究方法希望能夠對將來的風力發電機的研究和設計提供依據。

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