风力发电机叶片结构设计与动力学

我国能源科学学科发展战略已将“大型风电机组关键部件的使用寿命及抗疲劳特性”列为风电机组研究领域的前沿问题之一。本书既有新的理论方法介绍，也有与以往经典方法的对比研究，使读者更容易掌握各种不同方法的优缺点，便于在科研过程中进行选择。

全书内容主要包括，河西地区风况下叶片载荷模型的构建、河西地区风力三维空间分布的风特性数值模拟与重构；旋转叶片刚柔耦合动力学模型非线性问题求解方法、构建复杂风况下叶片刚柔耦合动力学模型；复合材料叶片的模型建立及静力学、风切变、塔影效应及气动弹性对叶片结构动力学的影响；覆冰对叶片气动性能的影响，西北区域准三维结冰叶片有限元建模方法；激励载荷与叶片动力学响应、复合材料叶片多向损伤协同演化模型的建模。叶片模态参数提取及灵敏度分析，风力机复合材料叶片模态灵敏度及稳健性优化、基于Kriging模型的叶片结构稳健性优化，风力机塔筒很优拉丁方试验，基于均匀设计的风力机塔筒结构参数优化，风电机组故障过程建模及监测理论及应用。

郑玉巧，女，1977年7月生，工学博士，副研究员，博士研究生导师。2013年9月-2014年6月东南大学机械学院进行交流学习一年，2016年12月-2017年12月获国家留学基金委资助赴美国密西根大学（安娜堡分校）吴贤铭制造研究中心进行交流学习一年。近年来先后主持国家自然科学基金2项“河西地区风况下风力机叶片的刚柔耦合颤振动力学问题研究”、“西北典型风资源环境下变刚度风力机叶片结构性能退化机理研究”，甘肃省自然科学基金“多因素耦合作用下风力机叶片刚柔耦合动力学研究”、兰州市人才创新创业项目：“面向机械装备运维的健康评估与智能决策优化”，兰州市科技局计划项目“兆瓦级水平轴风力发电机组设计关键技术研究”、“面向循环经济的再制造系统优化设计及产业化研究”等项目的研究工作；以作者在《中南大学学报》、《上海交通大学学报》、《东南大学学报》、《太阳能学报》、《北京理工大学学报》、《南京航空航天大学学报》、《动力学与控制学报》等国内外学术期刊发表论文30余篇；以完成.人获甘肃省教育厅科技进步奖一等奖1项、二等奖2项、甘肃省机械工程学会科学技术奖等各类奖项5项；实用新型1项。

目录第1章西部风资源特点(1)1.1风资源评估(1)1.1.1测风塔实际选点具体要求(1)1.1.2风向(2)1.1.3风速(2)1.2风资源评估基础理论(2)1.2.1威布尔分布模型(3)1.2.2瑞利分布模型(3)1.2.3参数估计法(4)1.2.4最小二乘法(4)1.2.5极大似然估计法(5)1.2.6风速拟合相关系数(6)1.2.7平均风能密度和有效风能密度(6)1.2.8风能参数实验指标值计算(7)1.3风况及风特性分析(8)1.3.1玫瑰图(8)1.3.2垂直风切变及其分析方法(8)1.3.3风速估计参数设计求解流程(10)1.3.4风速分布参数估计实例(11)1.3.5标准高度处风速分布(11)本章参考文献(13)第2章微观选址案例分析(15)2.1测风塔概况(15)2.1.1测风塔代表性分析(15)2.1.2测风塔代表年选择(15)2.2数 据 检 验(15)2.2.1完整性检验(16)2.2.2合理性检验(16)2.3不合理数据和缺测数据处理(17)2.3.1缺测数据的处理(17)2.3.2不合理数据的处理(17)2.4风电场北部区域轮毂高度处风资源分析(17)2.4.1平均风速和风功率密度(17)2.4.2风速频率和风能频率分布(20)2.4.3风向频率及风能密度频率分布(21)2.5风电场场址空气密度(24)2.6风电场区50年一遇优选风速计算(26)本章参考文献(27)第3章风速模型(29)3.1叶片风载荷数学评价方法及其与风力发电机组间的相互作用关系(29)3.2风速模型(30)3.2.1Kaimal湍流模型(30)3.2.2风剪切模型(32)本章参考文献(33)第4章风力发电机叶片载荷模型(35)4.1叶片简介(35)4.2叶片坐标系(36)4.3叶片载荷来源(37)4.3.1空气动力载荷(38)4.3.2重力载荷(38)4.3.3离心力载荷(39)4.4叶片几何模型(40)本章参考文献(44)第5章叶片气动外形计算模型(46)5.1叶片气动设计理论(46)5.1.1贝茨理论(46)5.1.2动量理论(48)5.1.3叶素理论(49)5.1.4叶素动量理论(51)5.1.5涡流理论(51)5.1.6塔影效果(52)5.2叶片翼型参数及分析(52)5.2.1翼型几何参数(53)5.2.2翼型气动参数(54)5.2.3作用于运动叶片上的力(54)5.2.4升力系数与阻力系数(55)5.2.5俯仰力矩系数(56)5.2.6雷诺数(56)5.2.7翼型表面粗糙度(57)5.2.8马赫数(57)5.2.9叶片翼型选择及其坐标分布(57)5.2.10叶片翼型外形数据的获取(58)5.2.11叶片翼型气动数据的获取(59)5.2.12叶片主要功率产生区翼型S82524气动特性分析(59)5.3Wilson叶片设计法(61)5.3.1普朗特修正模型(62)5.3.2Glauert修正和Wilson修正因子(64)5.4叶片梢部损失和根部损失修正(65)5.5偏斜气流修正(65)5.6计算模型实例(66)5.6.1弦长、扭角计算流程(66)5.6.2扭角、弦长计算结果及其修正(67)本章参考文献(69)第6章叶片有限元建模(71)6.1叶片结构设计简介(71)6.1.1层合板结构设计原则(71)6.1.2层合板设计方法(73)6.1.3层合板强度校核准则(77)6.1.4叶片结构及材料选择(78)6.2叶片铺层设计(79)6.2.1叶片材料力学性能(79)6.2.2叶片参数化模型的构建(80)本章参考文献(84)第7章叶片尾缘结构设计(86)7.1叶片静强度校核(86)7.1.1静强度试验(86)7.1.2静强度校核(87)7.1.3叶片尾缘失效分析(90)7.2不同工况下叶片气动力、气动剪力、弯矩的分布情况(90)7.2.1叶片挠度(92)7.2.2双向布铺层厚度(93)7.2.3单向布铺层厚度(93)7.2.4夹芯层厚度(93)7.2.5叶根增强层厚度(95)7.3叶片结构计算结果与分析(96)7.4叶片尾缘结构优化(99)7.4.1尾缘建模(99)7.4.2尾缘结构优化(100)本章参考文献(102)第8章复合材料叶片的结构优化(104)8.1遗传算法(104)8.1.1遗传算法简介(104)8.1.2叶片结构优化(106)8.1.3遗传算法过程(106)8.1.4遗传算法对约束条件的处理(106)8.2叶片外形参数优化数学模型的建立(107)8.2.1确定的设计变量情况(107)8.2.2确定优化目标(108)8.2.3设计的适应度函数(108)8.3叶片气动性能优化设计程序(109)8.4优化结果分析(109)8.5叶片结构优化数学模型(111)8.5.1构建质量最小的叶片优化数学模型(112)8.5.2铺层优化设计计算(113)8.5.3叶片主梁结构优化模型(114)8.6柔性叶片气动、结构参数耦合优化(117)8.6.1优化设计的建模(117)8.6.2气动与结构优化计算(118)本章参考文献(119)第9章叶片模态参数提取及灵敏度(121)9.1风力发电机叶片模态分析(121)9.2叶片模态灵敏度(123)9.2.1模态灵敏度(123)9.2.2叶片模态(124)9.2.3叶片模态灵敏度(124)9.3风力发电机叶片结构参数优化(127)9.3.1优化设计方案(127)9.3.2优化结果及分析(128)本章参考文献(129)第10章叶片结构稳健性(131)10.1Kriging模型建模理论(131)10.1.1基于实验设计Kriging近似模型(131)10.1.2基于Monte Carlo（蒙特卡罗）方法模拟稳健性参数(132)10.2叶片铺层参数稳健性优化(133)10.2.1叶片铺层参数优化数学模型(133)10.2.2叶片结构传统优化算例1(134)10.2.3叶片结构稳健性优化算例2(136)10.2.4结果分析与讨论(137)本章参考文献(140)第11章准三维结冰叶片有限元建模方法(142)11.1叶片结冰理论简介(142)11.1.1结冰气象条件(142)11.1.2结冰类型(142)11.1.3影响叶片结冰的主要因素(143)11.2准三维结冰叶片有限元建模(144)11.2.1二维翼型结冰计算方法(144)11.2.2各关键截面结冰形态(150)11.3叶片静力学特性(154)11.3.1叶片静力学分析(154)11.3.2初始条件设置(154)11.3.3结果分析(156)本章参考文献(157)第12章覆冰对叶片气动性能的影响(159)12.1二维结冰计算方法(159)12.1.1验证方法(159)12.1.2NACA 4409翼型网格划分(160)12.1.3验证结果分析(160)12.1.4结冰翼型气动性能预测(161)12.2结冰叶片模型(164)12.2.1GL 2010规范指定结冰质量(164)12.2.2叶片结冰质量计算方法(165)12.3叶片稳态载荷计算(167)本章参考文献(170)第13章风力发电机叶片流固耦合分析及稳定性分析(172)13.1叶片运动学微分方程(172)13.2流固耦合环境下的叶片响应分析(174)13.2.1建立流固耦合流场计算模型(174)13.2.2流场网格的划分(174)13.2.3流固耦合的边界条件设置方法(175)13.2.4流固耦合数值模拟结果及分析(175)13.3叶片屈曲稳定性(179)13.3.1叶片屈曲理论(179)13.3.2屈曲稳定性分析方法(180)13.3.3屈曲稳定性分析结果与讨论(180)本章参考文献(183)第14章风力发电机叶片振动响应分析(184)14.1叶片模态分析(184)14.1.1叶片材料参数和约束(184)14.1.2网格划分(185)14.1.3分析类型及求解选项设置(186)14.2叶片预应力模态分析结果与讨论(187)14.3结冰叶片模态分析(190)本章参考文献(194)第15章风力发电机叶片动力学分析及疲劳分析(196)15.1叶片动力学特征方程(196)15.2叶片振动谐响应分析(197)15.2.1谐响应分析基本流程(197)15.2.2叶片振动谐响应分析(198)15.3叶片疲劳寿命(199)15.3.1线性疲劳累计损失理论(200)15.3.2叶片疲劳载荷谱(201)本章参考文献(205)