基于协同仿真的后掠型风力机气弹响应分析

由于后掠叶片具有积叠线弯曲的结构特点,导致叶片的弹性轴和扭转轴分离,增强了叶片弯扭耦合效应,致使叶片出现强烈的结构非线性变形,同时,沿叶片展向具有明显的三维流动现象。为高精度模拟后掠型风力机的结构振动、变形和气动载荷,通过超级单元法对风力机叶片和塔架结构进行离散,建立了整机刚-柔耦合多体动力学模型;考虑到后掠叶片形状、振动和变形致使空气沿叶片展向三维流动现象显著,采用螺旋尾涡升力线模型分析气动载荷。为高效精确建立包含机械和流体等多学科耦合的风力机模型,采用多体动力学软件建立机械模型,通过Matlab实现叶片气动载荷计算,基于Simulink协同仿真功能实现整机气弹耦合建模。以某后掠型风力机为对象,仿真分析了整机的气弹响应。数值仿真结果表明:本文理论模型和建模方法能有效模拟后掠型风力机的非线性变形和气弹耦合特性,能为新型降载增效机组的气动性能和结构设计提供指导。

绝对节点坐标法大型风力机复合材料叶片的动态特性

为研究大型风力机旋转复合材料叶片的非线性结构动态特性,采用绝对节点坐标法,并基于一般连续介质力学理论和复合材料本构关系,推导广义质量与刚度矩阵,建立大型风力机旋转复合材料叶片的非线性动力学模型。为描述叶片的转动,引入大范围转动连体坐标系,结合摄动原理及线性化方法,构建旋转叶片的状态方程。以非线性梁标准算例验证了模型的准确性,并以DTU-10MW风力机复合材料叶片为对象,分析了静止与旋转条件下的动态特性。结果表明,由于叶片的大型化和非线性变形特点,叶片静止时的挥舞、摆振和扭转振型存在显著耦合;由于动力刚化效应,叶片的各阶频率会随着转速的提高而改变,并对振型的挥舞和摆振产生较大影响。

弯扭耦合对风力机叶片气弹模态特性的影响

弯扭耦合对风力机叶片气动弹性响应有重要影响。为研究弯扭耦合对风力机叶片气弹模态特性的影响,采用几何精确梁理论和叶素动量定理,建立风力机叶片的气弹耦合方程,在Beddoes-Leishman动态失速模型的基础上对气弹耦合方程线性化,构建特征平衡方程。由复特征值分析法计算DTU 10MW叶片的气弹频率和气弹阻尼比。通过在截面刚度矩阵中引入耦合系数,考虑弯扭耦合对气弹模态的影响。挥舞顺桨耦合会增加挥舞模态气弹频率,降低挥舞模态气弹阻尼比。挥舞失速耦合会降低挥舞模态气弹频率,增大挥舞模态气弹阻尼比。挥舞顺桨耦合会降低风力机叶片的颤振风速。

多体系统仿真分析平台参数化建模技术研究

针对复杂多体系统建模效率低、建模过程修改频繁等问题,研究了多体系统仿真分析平台的参数化建模技术,提出了一种工程约束推理求解和模型元素更新机制相结合的参数化方法。该方法采用点参数、设计变量参数和元素属性参数构建多体系统参数化模型。通过规则约束和表达式约束,描述了元素属性参数间的工程约束关系。针对工程约束的过程无关性,使用有向图作为参数化求解的内部表达,根据参数间的偏序关系获得工程约束求解序列。结合多体系统模型元素关联关系的特点,提出了一种事件驱动的模型参数化更新机制。最后通过轿车参数化建模实例,验证了该方法的有效性和可靠性。

多体系统动力学子系统求解算法

为了降低系统求解规模,提高复杂多体系统动力学求解效率,研究了多体动力学子系统求解算法。通过分析系统拓扑构型,基于雅克比矩阵分块特性,提出子系统综合算法。算法采用半递归法建立含开环、闭环的子系统运动方程,将子系统质量和外力等效作用在内接基体上,解耦系统运动方程组装和加速度求解。此外,针对松散耦合子系统,提出了子系统分治算法。算法针对子系统间的耦合特点,分解复杂多体系统模型,实现子系统的独立求解。最后以机构动力学数值求解实例,验证上述算法的正确性和求解效率。

三维几何约束求解的变分算法

研究了运动学变分原理在三维几何约束求解中的应用,提出了变分求解算法·该算法采用相对坐标,将求解域从笛卡儿空间转换到相对坐标空间·对于约束开环,依次选取相对坐标即可获得满足几何约束的刚体位姿;对于约束闭环,通过切断闭环铰,将约束闭环转化为等价的广义开环与切断铰约束代数方程,其切断铰约束代数方程的相对坐标雅克比矩阵解析式可通过变分关系显式获得·最后通过实例验证,说明该算法具有较高的求解效率与稳定性·

多体系统仿真分析平台子系统建模技术

针对多体系统建模效率低、模型重用困难等问题,研究了复杂多体系统模型的子系统建模技术.提出支持系统分解和模型重用的子系统结构,采用虚部件定义子系统外部拓扑连接关系,通过主控参数封装模型设计知识和内部参数信息,从而建立自顶向下的层次化子系统结构模型;然后依据子系统主控参数关联关系及层次化结构特点,提出复杂多体系统参数化求解与装配算法.最后以卡车整车建模实例,介绍复杂多体系统的子系统建模过程.

大型风力机叶片气弹颤振特性分析

随着风力机叶片尺寸和柔性的增加,风力机面临的气弹稳定性问题越发突出。为分析大型风力机叶片的气弹颤振特性,考虑转动叶片大变形引起的结构非线性效应,采用非线性几何精确梁理论,建立结构动力学模型;为描述叶片振动导致的非定常气动效应,采用叶素动量理论,并结合B-L(Beddoes-Leishman)动态失速模型,建立风力机叶片的气动载荷模型;而后采用弱形式的求积元方法,高效构建叶片的气弹耦合动力学离散平衡方程;再基于变分原理,线性化气弹耦合动力学方程,由复特征值分析法,计算叶片的气弹频率和气弹阻尼比,辨识叶片气弹颤振区域。以DTU-10MW风力机为研究对象,分析了风力机叶片在工作运行状态和定叶尖速比下的颤振特性。分析结果表明,该风力机叶片在转速1.77 rad/s时,会产生颤振失稳现象。

面向CAD系统的连续体结构形状与拓扑优化

针对当前连续体结构优化所面临的有限元模型与CAD模型转换困难,产品设计意图和结构工艺在优化过程中难以保持等问题,研究了面向CAD系统的连续体结构形状与拓扑优化方法。通过分析CAD几何表达和CAE网格划分特点,采用欧拉网格和扩展有限元法,建立面向结构优化的CAD/CAE模型融合机制;而后基于连续体物质导数,推导了CAD直接建模操作敏度,驱动CAD实体模型进行结构形状与拓扑优化。在此基础上,针对操作敏度量纲不一致问题,采用速度场均匀化方法,修正操作敏度,以提高优化收敛效率。通过三维CAD实体模型结构优化实例,验证了上述方法的可行性和求解效率。

面向CAD系统的设计知识表达与求解

通过分析现有参数化 CAD系统在知识表达方面不足的 ,提出了几类新的知识表示方法 ,并用一种基于约束网络的技术 ,实现了知识约束的智能化求解。集成了该功能的

水平轴风力机柔性叶片气弹耦合分析

针对水平轴风力机柔性叶片的气弹耦合模型与数值积分方法进行研究。首先应用超级单元法,将柔性叶片离散为若干个超级单元,单元内刚体之间由带有力元弹簧和阻尼器的万向节或转动铰联接,以描述叶片的挥舞、摆振和扭转等运动;基于计算多体动力学理论,应用R-W(Roberson-Wittenburg)方法,导出带约束的旋转叶片多体系统动力学方程;基于叶素理论,计算叶片变形状态下各刚体所受的气动力,在数值积分过程中实时实现两者之间的耦合。算例分析了某1.5 MW风力机叶片在一定风速和转速下的气弹耦合。结果表明超级单元法能用较少的自由度准确描述柔性叶片的弹性变形、气动载荷和叶片位移间的耦合,为风力机整机气动弹性耦合及稳定性分析提供了实用的分析方法。

动力学仿真中的子系统建模技术研究

针对目前复杂机械系统动力学仿真软件建模效率偏低、模型无法重用、用户起点高等缺点,对复杂机械系统动力学仿真中的子系统建模技术进行了研究。提出了多级子系统的坐标切换方法,设计了子系统模型的接口方案,并提出了子系统的装配算法和面向子系统装配的参数化求解算法。在算法研究的基础上,开发了子系统建模组件和汽车子模型库,并集成于动力学仿真分析平台InteDyna。通过与某汽车企业合作,将InteDyna应用于多款车型的整车动力学仿真分析和实车试验,验证了子系统建模技术的有效性与可靠性。

基于动力学分析的喷涂机器人电机选型

电机驱动负载的计算是喷涂机器人电机选型中的核心问题之一,而喷涂机器人工作时产生高度的动态载荷,增加了电机负载计算的复杂性。针对喷涂机器人电机选型的复杂性,应用虚拟样机技术,建立喷涂机器人的关节电机峰值预估模型,搜索喷涂机器人在工作空间内关节峰值扭矩,从而获得电机的驱动负载。利用峰值扭矩与转速准则进行电机的选型,把驱动负载和候选电机表示在标准峰值扭矩-转速(T*max-ω*max)图中,利用该图可以直观、方便选择电机。

复杂机械系统的多体动力学参数化建模技术研究

在开发复杂机械动力学仿真分析软件InteDyna的过程中,将参数化驱动技术引入复杂机械动力学系统的建模中。使用面向对象的分析方法,建立了复杂机械动力学系统的基本参数化模型,并引入工程参数,支持多体动力学系统的快速建模和模型重用。

压电多层膜悬臂梁受力的有限元仿真

采用有限元软件ABAQUS6.14对压电多层膜悬臂梁进行了仿真模拟,在自由端受集中载荷下,预测薄膜结构对悬臂梁曲率半径和自由端及中心固定端等效应力的影响。结果表明自由端受到的载荷越大,则各层所对应的自由端和中心固定端的等效应力越大,而中性层曲率半径则越小。薄膜厚度越厚,自由端和固定端各层的等效应力越小,而各层的中性层曲率半径越大。同时将数值解与解析解进行比较,以验证有限元模型的正确性。仿真结果与解析解吻合良好,为后续MEMS微悬臂梁器件的结构优化和加工工艺提供可靠依据。

三维CAD装配序号的自动排序与布局算法

为解决三维CAD系统装配序号的手工排序与布局难题,提出了序号自动排序和自动布局算法.首先将简单序号的排序问题简化为符号排序问题,提出了简单序号排序算法.针对复杂序号排序问题,提出了主索引和副索引编码方法.采用包容盒技术,抽象出序号布局问题的数学模型,给出了基于包容盒求交技术的序号自动布局算法.通过三维CAD的C++算法实现和实例验证表明,该算法可以很好地解决三维CAD装配图序号的自动排序和自动布局问题.

产品建模中的知识管理技术研究

分析了当前参数化技术特点及不足,提出了面向产品建模的知识管理技术,并对设计知识的表达、知识求解与一致性维护等提出了有效的解决方案,在此基础上,开发了一个面向产品建模的知识管理引擎,并应用于国产三维CAD系统中。

面向汽车动力学自动建模的模型描述语言研究

定义了一种模型描述语言——MDL,采用BNF范式描述了MDL的语法规范,分析了其实现的内在机制。在汽车动力学建模中,将汽车模型采用自顶向下的划分方式,划分为多个相对独立的子系统,采用模型描述语言对各个子系统的组成构件及其约束关系进行描述和定义,从而完成了一个整车动力学模型的描述。这种方法可以简化汽车建模的复杂性,提高模型的可扩展和可重用性,同时能够保证模型的精度和准确性。并在自主开发的汽车动力学仿真分析平台InteDyna中验证了这一方法的有效性。

基于涡旋升力线模型的风机后掠叶片性能优化

为精确模拟后掠叶片的气弹特性,基于升力线理论建立后掠叶片非线性气弹耦合模型,并通过计算国家可再生能源实验室(NREL)5 MW直叶片和后掠叶片的稳态响应,验证模型的有效性和准确性.以运行变桨角为设计变量,年发电量为目标函数,以额定功率、叶尖挥舞位移和轴向推力作为约束条件,选择5 MW后掠叶片为原型,寻找5~25 m/s风速范围内各风速对应的最优变桨角,并将结果进行对比分析.结果显示,变桨角优化的后掠叶片,相比于原型叶片以及直叶片,年发电量分别提高8.58%、7.59%.

水平轴风力机柔性叶片多体动力学建模与动力特性分析

为用较少自由度实现水平轴风力机柔性叶片气弹耦合分析,用超级单元(Superelement)方法将柔性叶片离散为由带有力元弹簧及阻尼器的旋转铰连接的有限个数体,基于多体动力学理论,应用R-W(Roberson-Wittenburg)方法导出叶片多体系统动力学微分-代数方程组;研究方程组数值积分方法及通过脉冲响应谱实现系统动力特性分析方法;分析某1.5 MW风力机叶片在脉冲载荷作用下的动力响应与固有频率,并通过与ANSYS、ADAMS结果对比验证方法及编制程序的有效性与正确性。结果表明,超级单元法能用较少自由度准确描述柔性叶片弹性变形与动力载荷与叶片位移间耦合,为风力机气动弹性耦合及稳定性分析提供实用分析方法。