基于Simpack的风力发电机整机建模与动态特性研究.pdfVIP

基于 Simpack 的风力发电机整机建模与动态特性分析 严素欣 邢春雷 李云龙 赵迪 中国航天万源国际有限公司 摘 要: 风力发电机是一个涉及气-刚-柔-控多场耦合的复杂的多体系统，具有运行工况变化大，动 载荷复杂，工作环境恶劣，使用寿命高等特点。为满足风力发电机的设计要求，相关的动力学分 析和动态设计研究方法就显得意义重大。本文利用多体动力学软件SIMPACK，结合空气动力学软 件 Aerodyn 建立了风力发电机组整机仿真模型。仿真计算得到叶片、塔筒及整机的固有频率。利 用达索公司Simpack软件中专有的风机模块及其相关力元、控制单元，更好的仿真模拟风力发电 机动力学特性。 关键词: 风力发电机 动力学 Simpack 固有频率 1 概述 风力发电机是一个涉及气-刚-柔-控多场耦合的复杂的多体系统，具有运行工况变化大，动 载荷复杂，工作环境恶劣，使用寿命高等特点。为满足风力发电机的设计要求，相关的动力学分 析和动态设计研究方法就显得意义重大。 本文利用多体动力学软件SIMPACK，结合空气动力学软件 Aerodyn 建立了风力发电机组整机 仿真模型。 本文中的整机动力学系统建模是基于多体动力学分析软件 SIMPACK。它是以计算机多体系统 动力学为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。由于多体动力学软件具 备建模与仿真精度高的特点，SIMPACK 已经广泛应用于汽车工业、铁路、航空/航天、国防工业、 船舶、通用机械、发动机、生物运动与仿生等领域[2]。 2 动力学模型建立 在中建立的整机模型包括叶片、塔筒、偏航轴承、轮毂、主轴等部分，并与空气动力学软件 Aerodyn 实现联合仿真，分析风力发电机组在固有的动态特性。在SIMPACK 中需要对物体性质的 假定，风力发电机中的零部件（如叶片、塔筒）的弹性变形使系统动力学越来越复杂，这些物体 需要做柔性体假设。而其他的零部件（如轮毂、偏航轴承等）由于刚性很大，弹性变形并不影响 风电机组的运行特性，仍可作为刚体假定，故风力机组偏航整机模型是典型的刚-柔混合多体系 统。 2.1 叶片建模 叶片是风力发电机组的核心部件之一，其设计质量对风电机组整体性能和寿命有着直接的影 响。在 SIMPACK 中将叶片视为柔性体，在模块Rotorblade Generation 中生成柔性体。其基本原 理是是：将叶片视作作一个 Timoshenko（铁木木辛柯）梁，定义叶片各个个截面属性、质量属性、弯曲 刚度度、气动扭角，，然后计算叶叶片挥舞和摆振振的各阶模态态和振型，通过过计算各阶模模态下的振型型叠加 来描描述叶片的柔性性，通常采用用两阶挥舞和两两阶摆振的模模态振型就可可以精确地描述述叶片的柔性性，叶 片的的外部气动载荷荷是通过定义义耦合点（Maarker）来施加加的。 柔性叶片是在在 SIMPCAK 中中的 Rotorblaade Generation 模块生成成的，生成的过过程如图所示示。 图11 Simpack叶片生生成模块 图2 柔性叶片系统仿仿真示意图 图中 rbl 文文件包括叶片的的物理和结构构属性，包括叶片的配置、柔性体的特特性、Marker 点的 创建建、叶片的结构构属性。。在在生成柔性体叶片过程中，SIMPACK 将自动在定义的的位置生成相相应的 Markker。这些Marrker用来确定定气动力的作作用点。气动 MMarker点定义义了叶片气动力单元的中心心（如 图3 所示），并不不需要沿叶片片均匀分布。MMarker点的多多少取决于叶叶片的长度，一般 20—30 个就 足够够了。当叶片变变桨时，这些些 Marker 点会会随着变桨角而变化，因为为这些Markerr 点与叶片之之间是 刚性性固结。