基于Simpack的风力发电机整机建模与动态特性分析.docxVIP

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RotorbladeGeneration中生成柔性体。其基本原

理是：将叶片视作一个Timoshenko（铁木辛柯）梁，定义叶片各个截面属性、质量属性、弯曲

刚度、气动扭角，然后计算叶片挥舞和摆振的各阶模态和振型，通过计算各阶模态下的振型叠加

来描述叶片的柔性，通常采用两阶挥舞和两阶摆振的模态振型就可以精确地描述叶片的柔性，叶

片的外部气动载荷是通过定义耦合点（Marker）来施加的。

柔性叶片是在SIMPCAK中的RotorbladeGeneration模块生成的，生成的过程如图所示。

图1Simpack叶片生成模块

图2柔性叶片系统仿真示意图

图中rbl文件包括叶片的物理和结构属性，包括叶片的配置、柔性体的特性、Marker点的

创建、叶片的结构属性。。在生成柔性体叶片过程中，SIMPACK将自动在定义的位置生成相应的

Marker。这些Marker用来确定气动力的作用点。气动Marker点定义了叶片气动力单元的中心（如

图3所示），并不需要沿叶片均匀分布。Marker点的多少取决于叶片的长度，一般20—30个就

足够了。当叶片变桨时，这些Marker点会随着变桨角而变化，因为这些Marker点与叶片之间是

刚性固结。

图3叶片Maker

生成的叶片模型，如图4。

图4柔性叶片模型

计算柔性叶片的前八阶固有频率如下：

表2.1叶片模态

模态阶次模态频率阻尼比备注

10.6370.02摆振

21.0340.02摆振

31.8620.02弯振

43.1670.02弯振

53.8440.02弯振

66.4300.02弯振

2.2柔性塔筒建模

在现代大型风力发电机组中，主要采用锥筒结构的柔性塔筒，因此在建模时需考虑其柔性特

征。在SIMPACK中，柔性的塔筒可以通过SIMBEAM模块建立。SIMBEAM是基于经典理论

Euler-Bernoulli和Timoshenko梁理论，在SIMPACK中建立柔性梁单元。由于Euler-Bernoulli

忽略了梁的剪切和转动惯量的影响，在本文中采用了Timoshenko梁理论建立柔性的塔筒。

柔性塔筒建立原理为：将塔筒看做很多个Timoshenko梁单元，依次赋予梁单元首尾maker

点坐标值、定义梁单元的材料和截面属性，见表3.2所示。通过SIMBEAM