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基于致动线方法的5 MW海上风力机气动弹性分析

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空气动力学学报 2022年第4期40卷 203-209页

作者：冷峻郜志腾郑小波李晔上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 上海交通大学多功能拖曳水池实验室上海200240

随着风力机功率的不断增大以及新型复合材料的应用,叶片的柔性和几何非线性变形成为风力机设计中不可忽略的因素,结构和气动弹性的分析也随之变得更加复杂。然而,风能行业中传统的叶片分析方法无法准确预测现代复杂叶片的气动弹性特性,... 详细信息

随着风力机功率的不断增大以及新型复合材料的应用,叶片的柔性和几何非线性变形成为风力机设计中不可忽略的因素,结构和气动弹性的分析也随之变得更加复杂。然而,风能行业中传统的叶片分析方法无法准确预测现代复杂叶片的气动弹性特性,从而导致风力机性能预测出现较大误差。本文基于柔性多体动力学,建立了一种新型双向流固耦合模型,在结合致动线方法和大涡模拟的基础上,考虑了结构和气动弹性对风力机性能的影响,可用于动态结构载荷预测及流固耦合分析。对5 MW基准风力机进行建模,验证了计算模型的准确性,并讨论了叶片的瞬时结构响应,分析了叶片变形对风力机功率、尾迹的影响。研究结果表明,叶片的柔性在风力机气动弹性设计中不可忽略,同时本文模型可以准确捕捉风力机的尾迹结构(包括叶尖涡和叶根涡),更适用于现代兆瓦级复合材料风力机气动弹性和尾迹分析。

关键词：风力机流固耦合气动弹性分析致动线法几何非线性

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风机叶片气动弹性分析与裂纹损伤识别

风机叶片气动弹性分析与裂纹损伤识别

作者：丁宁大连理工大学

学位级别：硕士

在世界范围内生存环境逐渐恶化、能源问题日益凸显的大背景下,寻求清洁的可再生能源以替代化石燃料成为世界各国的当务之急。风能是一种成本低、蕴藏量大的绿色能源,因而对于风电技术的研究是有重要意义的。风机叶片是风力发电机的动力... 详细信息

在世界范围内生存环境逐渐恶化、能源问题日益凸显的大背景下,寻求清洁的可再生能源以替代化石燃料成为世界各国的当务之急。风能是一种成本低、蕴藏量大的绿色能源,因而对于风电技术的研究是有重要意义的。风机叶片是风力发电机的动力之源,其在长时间运行或处于某些极端工况时,叶片表面极有可能出现裂纹或损伤,此时如果不及时对其进行修复,则叶片裂纹会持续扩展直至断裂,从而带来无法估量的损失。因此,对于风机叶片裂纹损伤诊断预报技术的研究具有重要意义。本文的核心内容是风机叶片的气动弹性分析及含裂纹损伤的风机叶片的识别诊断,具体的研究内容如下：1.基于风机叶片的空气动力特性和流固耦合基本理论,在ANSYS Workbench平台中进行风机叶片的气动弹性分析;2.基于风机叶片气动弹性分析方法,对含裂纹损伤的叶片进行分析并采集特征点处的应力时程,然后分别基于能量法和EMD方法,在时域和时频域内对叶片裂纹进行诊断识别;3.在实验室内对含裂纹损伤的叶片模型进行实验研究,以验证本文叶片裂纹识别方法的正确性、有效性及可行性。通过本文对风机叶片气动弹性分析和裂纹损伤识别的研究,为风机叶片设计及损伤维护提供有效的理论基础和技术支持。

关键词：风机叶片流固耦合气动弹性分析裂纹损伤识别

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基于ROM技术的阵风响应分析方法

力学学报 2008年第5期40卷 593-598页

作者：张伟伟叶正寅杨青史爱明西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室西安710072

阵风响应分析是大型飞机设计过程中必不可少的环节,现有的阵风响应分析主要采用基于线化升力面理论的气动力模型,不能考虑到各种非线性效应,不适合于跨音速气动弹性的分析.基于CFD技术,采用系统辨识方法,在状态空间内建立了降阶的非定... 详细信息

阵风响应分析是大型飞机设计过程中必不可少的环节,现有的阵风响应分析主要采用基于线化升力面理论的气动力模型,不能考虑到各种非线性效应,不适合于跨音速气动弹性的分析.基于CFD技术,采用系统辨识方法,在状态空间内建立了降阶的非定常气动力模型(reduced order model,ROM).耦合结构运动方程、非定常气动力模型(结构运动)、外激阵风的气动力模型,建立了基于CFD技术的阵风响应分析模型.算例研究了某一典型机翼在方波激励下的阵风响应问题,对比了各阶模态位移的响应以及翼根弯矩的响应.基于ROM技术的计算结果与CFD/CSD直接耦合仿真结果吻合,证明了该方法的正确性和精度.

关键词： CFD 系统辨识 ROM 阵风响应气动弹性分析

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桥梁气弹响应分析的时域气动模型

中国公路学报 2007年第6期20卷 43-48页

作者：祝志文陈政清顾明湖南大学风工程试验研究中心湖南长沙410082 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

为了解决传统桥梁气弹响应分析方法因非定常不可压流CFD计算量巨大而导致的效率低下问题,提出一种桥梁气弹响应分析的新方法。该方法采用频域特性可调的广谱指数脉冲时间序列强迫桥梁断面运动,并通过CFD计算得到作用在桥梁断面上的气动... 详细信息

为了解决传统桥梁气弹响应分析方法因非定常不可压流CFD计算量巨大而导致的效率低下问题,提出一种桥梁气弹响应分析的新方法。该方法采用频域特性可调的广谱指数脉冲时间序列强迫桥梁断面运动,并通过CFD计算得到作用在桥梁断面上的气动力,然后由桥梁断面的运动位移和气动力时程,通过系统识别建立起桥梁绕流系统的时域离散时间气动模型。最后以具有扭转自由度的薄平板在初始位移激励下的运动为例,进行了振动响应计算和气弹全过程分析。研究结果表明:该方法能显著提高桥梁气弹响应分析的计算效率。

关键词：桥梁工程薄平板气动弹性分析时域气动模型

超声速非线性点阵夹芯板结构气动弹性颤振分析与控制

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超声速非线性点阵夹芯板结构气动弹性颤振分析与控制

基于耦合伴随方法的串/并行气动结构优化设计对比

第十四届全国非线性振动暨第十一届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：宋智广李凤明哈尔滨工业大学航天学院北京工业大学机电学院

点阵结构是一种新型的轻质结构。它的比强度高,比刚度大,并且具有优越的静力学和动力学特性,在飞行器等结构中具有广泛的应用前景。但是很少有文献研究点阵夹芯结构的气动弹性特性。因此,本文对超声速气流中的点阵夹芯壁板结构进行气动... 详细信息

点阵结构是一种新型的轻质结构。它的比强度高,比刚度大,并且具有优越的静力学和动力学特性,在飞行器等结构中具有广泛的应用前景。但是很少有文献研究点阵夹芯结构的气动弹性特性。因此,本文对超声速气流中的点阵夹芯壁板结构进行气动弹性分析和主动控制研究。在夹芯壁板的上下表面粘贴压电材料

关键词：非线性点阵夹芯板压电材料超声速滑移模态控制气动弹性分析主动颤振控制

来源： cnki会议评论

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航空动力学报 2019年第5期34卷 1036-1049页

作者：雷锐午白俊强许丹阳张煜汪辉西北工业大学航空学院西安710072

采用RANS方程、线性有限元分析手段、映射点局部插值方法和逆距离动网格技术对气动和结构之间的耦合现象进行了分析。然后基于气动结构耦合伴随方法,对气动和结构设计变量梯度进行了高效求解。最后结合自由曲面变形技术、梯度优化方法... 详细信息

采用RANS方程、线性有限元分析手段、映射点局部插值方法和逆距离动网格技术对气动和结构之间的耦合现象进行了分析。然后基于气动结构耦合伴随方法,对气动和结构设计变量梯度进行了高效求解。最后结合自由曲面变形技术、梯度优化方法构建气动结构优化设计框架。选取飞翼布局民用客机开展气动结构串行与并行优化设计研究。在相同阻力水平的前提下,并行优化结果比串行优化获得了8.4%航程收益和8.3%结构质量收益。同时,串行优化设计结果在中翼段上翼面仍然存在明显激波,而并行优化结果呈现光滑的等间距等压线分布特征。因此并行气动结构优化设计方法可以充分挖掘气动结构耦合下的设计潜力,更有利于对大柔性气动结构优化设计问题进行研究。

关键词：气动结构耦合伴随气动弹性分析气动结构优化串/并行优化飞翼布局

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混流式风机大规模流固耦合振动分析

混流式风机大规模流固耦合振动分析

作者：翟艳钊昆明理工大学

学位级别：硕士

混流式风机作为一种典型的叶轮机械,兼具有离心风机风压系数高和轴流风机风量系数高的特点,被广泛应用在工业和生活系统中。然而,各种因素会引起风机故障,影响风机的稳定运行,如湍振、尾流激振、噪声和失速等现象。这些故障中一部分是... 详细信息

混流式风机作为一种典型的叶轮机械,兼具有离心风机风压系数高和轴流风机风量系数高的特点,被广泛应用在工业和生活系统中。然而,各种因素会引起风机故障,影响风机的稳定运行,如湍振、尾流激振、噪声和失速等现象。这些故障中一部分是由机械流道内的流固耦合现象所致,即流体和风机结构间的相互作用对流场产生了影响。另一方面,随着风机设计要求的不断提高,叶轮自身的静动特性和运转情况也变得愈加复杂,在研究时,需要综合考虑多种因素。因此,本文以混流式风机为研究对象,采用现代数值模拟方法,先是基于计算流体动力学(CFD),准确捕捉了风机内部的复杂流场信息,包括三维非定常湍流流动状态,压力脉动分析等,然后基于计算结构动力学(CSD)中的有限元方法,对风机叶轮结构进行了气动弹性分析,包括动态受力分析,频谱分析等,得到了叶片等转轮结构在空气介质中工作时的动态响应,最后将流固耦合作用考虑在内,全面分析了风机的流场和结构特性,为以后此系列混流式风机的设计优化提供了重要参考信息。

关键词：混流式风机大涡模拟气动弹性分析双向流固耦合振动分析

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多控制面大展弦比机翼的颤振分析与主动抑制

多控制面大展弦比机翼的颤振分析与主动抑制

作者：高翼飞南京航空航天大学

学位级别：硕士

高空长航时无人机拥有十分广阔的应用前景,现在已经成为国内外航空设计工程的研究热点。此类飞行器的机翼普遍具有大展弦比、大柔性的结构特点,在气动载荷作用下容易产生较大的变形,计算这种类型机翼的颤振速度时就需要考虑几何非线性... 详细信息

高空长航时无人机拥有十分广阔的应用前景,现在已经成为国内外航空设计工程的研究热点。此类飞行器的机翼普遍具有大展弦比、大柔性的结构特点,在气动载荷作用下容易产生较大的变形,计算这种类型机翼的颤振速度时就需要考虑几何非线性因素的影响。本文首先针对某大展弦比机翼进行了结构建模与线性颤振分析。然后采用“增量有限元”法和“准模态”法,通过DMAP语言编写新的NASTRAN求解序列,得到了机翼在自重及给定飞行条件下的静气动弹性变形以及静平衡位置处的模态,根据此模态计算大展弦比机翼在考虑几何非线性效应下的颤振临界速度。结果表明,受几何非线性因素的影响,机翼的颤振临界速度会有所降低。颤振会对机翼结构造成灾难性的破坏,颤振主动抑制技术可以显著的提高飞行器的气动弹性稳定性,近年来逐渐成为设计人员防颤振措施的首选。本文通过在机翼的后缘安装两个控制面来实现颤振主动抑制的工作。首先讨论增加控制面对机翼颤振特性的影响,然后通过有理函数拟合法得到时域内的气动力表达式,采用伺服电机作为作动器,在翼尖处安装加速度传感器,建立了带有控制面的机翼气动伺服弹性模型,并将模型在Simulink/Matlab中做了相应的开环时域仿真。本文最后介绍了PID控制以及模型预测控制两种控制方法,并将这两种方法应用于大展弦比机翼颤振主动抑制的研究,仿真结果验证了两种控制方法对机翼颤振抑制的有效性。由于模型预测控制可以通过模型预测和滚动优化实现对控制条件的约束,因此要优于简单的PID控制。

关键词：大展弦比气动弹性分析几何非线性 PID控制模型预测控制

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大展弦比机翼的建模与动力学分析

大展弦比机翼的建模与动力学分析

作者：许余乾哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

现在的大型运输机，大型客机及执行远程战略任务的轰炸机，侦察机多采用大展弦比机翼。飞行器使用大展弦比机翼可以有效减小能耗，但大展弦比机翼由于自身结构的细长型，在重力与气动力的作用下，会产生较大变形。机翼大变形时需考虑自... 详细信息

现在的大型运输机，大型客机及执行远程战略任务的轰炸机，侦察机多采用大展弦比机翼。飞行器使用大展弦比机翼可以有效减小能耗，但大展弦比机翼由于自身结构的细长型，在重力与气动力的作用下，会产生较大变形。机翼大变形时需考虑自身结构变形的几何非线性特征，此时要想较为准确的获知机翼的运动状态，必须建立计入几何非线性及其它非线性因素影响的机翼的结构动力学方程，再以此非线性方程为基础综合气动力的作用才能对机翼展开分析。基于以上的思想，本文的研究工作将围绕以下方面展开。1.将大展弦比机翼视为一根悬臂的Euler-Bernoulli梁，以梁截面的轴向位移，弯曲位移以及绕截面法线转动的转角作为运动变量。在Euler-Bernoulli梁的假设下结合Lagrange-Green应变公式以及刚体有限转动理论推导出梁截面的运动变量与应变的关系，并同时得到梁每一微段在变形时的动能表达式。利用Hamilton原理建立大展弦比机翼的控制方程，该控制方程是一个弯扭耦合的非线性方程。2.给出机翼的刚性截面在变形后相对于来流的位置及速度，并得到机翼在变形后的有效攻角表达式。结合准定常气动力模型给出机翼变形时每一微段的气动升力与气动力矩从而列出机翼的气动弹性动力学方程。利用Galerkin离散方法，将机翼振动的线性模态函数代入所得到的气动弹性动力学偏微分方程组，从而获得模态空间下的运动常微分方程组。3.机翼可以视为在一个变形较大的平衡位置附近作微幅振动，分析机翼的动力学特性时，将模态空间下的机翼振动方程在平衡位置附近进行线性化，以线性化后的方程组为基础探究由于变形的非线性对机翼结构的振动频率等动力学特性的影响。利用线性化后的方程在一定的来流速度区间下对机翼进行气动弹性稳定性分析，从而进一步分析结构的非线性因素对颤振临界速度的影响。在得到颤振临界速度后，在颤振临界速度附近对机翼的动力学响应进行时域上模拟。模拟结果显示当来流速度靠近但略小于颤振临界点的来流速度时，在一定扰动下机翼的运动并不会衰减，最终将变为具有一定幅值的周期运动。非线性因素改变了机翼的颤振临界速度并使机翼在颤振临界点附近的性质变的复杂。

关键词：大展弦比机翼几何非线性气动弹性分析颤振