机械工程师职称论文风力机组刚柔耦合多体分析

　　摘要：风力发电机组系统在运行时产生剧烈的系统振动，对风力机运行精度和零部件的使用寿命有非常大的影响。风力机是一个刚柔耦合的周期时变的多体系统，加上工作环境的复杂性，有必要对风力机进行刚柔耦合动力学分析。运用多体系统动力学方法、模态振动、冲击-接触理论，以750KW型风力机组为研究对象，通过对齿轮传动的仿真分析，得出齿轮啮合力随时间变化的曲线。此外，还将叶片和塔架替换为柔性体，并与齿轮箱、主轴、底座进行刚柔耦合动力学分析，对得到的应力分布图进行应力分析。

　　关键词：风力发电机组,刚柔耦合,多柔体系统,动力学分析

　　引言

　　风力发电已经成为我国重大发展战略，更是可持续发展战略的一部分[1]。风力发电机作为捕获风能的最佳设备，正引来越来越多的关注和研究[2]。这是由于风能是不可控制的能源，风向和风速时刻变化，为得到更高的风能利用率，就须对风力发电机组(以下简称风力机)的动力系统进行研究。风力机不仅是一个刚柔耦合的多体系统，且工作在环境极其恶劣的野外;作用在风机上的空气动力、惯性力和弹性力等交变载荷使系统产生变形或振动，对风力机的正常运行影响很大，严重时会导致风力机损坏[3]。在风力机工作现场可以看到，750KW机组在启动、停机和风速较大时振动尤其剧烈。其振动主要表现在三个方面：叶片振动，系统振动和塔架振动，而这三个方面的振动特征表现为耦合性[4]。为了确保风力机的稳定性和可靠性，对风力机整机作刚柔耦合动力学研究是很有现实意义的。

　　1 750KW风力发电机组研究模型的组成

　　目前风力发电机组多为水平轴式，基本包括叶片、轮毂 (与叶片合称叶轮)、机舱罩、增速齿轮箱、发电机、塔架、机舱基座(又称机舱底盘)、控制系统、制动系统、偏航系统、变桨系统、液压装置等[5]。水平轴式大型风力发电装置的结构简图如图1-1所示。

　　利用三维实体造型工具SolidWorks和多体系统动力学仿真工具MSC.ADAMS建立750KW风力发电机组系统多刚体动力学模型，主要包括主轴、机舱、底座、发电机模型。在750KW风力发电机组系统多刚体动力学模型基础上，通过ANSYS生成了风机叶片、塔架的柔性体文件，根据实际情况在齿轮箱和叶片上加上了相应的载荷。同时，运用MATLAB来实现电机的反作用扭矩控制。

　　2风力机多刚体分析模型的建立及仿真

　　2.1多刚体模型的建立

　　采用SolidWorks三维软件进行风力发电机增速齿轮箱的零件建模与整体装配，在SolidWorks中建立了轮毂、主轴、增速齿轮箱、底座三维分析模型如图2-1所示。

　　在刚体模型中，齿轮系统作为将风能转化为电能的重要动力传动部件，是风力机系统运行时能否平稳高效的主要影响因素之一，因此有必要对齿轮进行深入的研究。齿轮的建模是在SolidWorks中完成后导入到ADAMS中，为了使齿轮系统结构紧凑、运行平稳，采用参数化的处理方法进行优化设计，确定齿轮的几何尺寸。

　　2.2齿轮的建模及动力学仿真

　　2.2.1齿轮模型的建立

　　本次设计采用一级行星加二级平行轴结构型式，总传动比i总=67.4，行星结构采用心轮浮动，设各齿轮材料、齿面硬度相同，并取行星轮齿轮传动比为5.04，定轴传动部分传动比为13.373。叶轮转动通过主轴输入齿轮箱，经过加速后传递到发电机。

　　2.2.2齿轮传动的仿真

　　根据风机设计和运行要求，在建立的齿轮系统刚体模型输入轴上施加一个恒定转速，大小为135 /s(即 22.5 r/min)来模拟传递到增速箱的转速;在输出轴上施加恒定的负载转矩4976053N*mm来模拟发电机对系统的转矩。为了使转速不出现突变，利用STEP函数使转速在1s内由0增加到135 /s，此关系式为STEP(time,0,0d,1,135d)。

　　由于风机在实际运行过程中高速齿轮出现故障的次数较多，因此本文仅对高速齿轮进行仿真分析。本文采用冲击函数法来计算啮合力，接触模式选择Solid to Solid，碰撞指数e取2.2，阻尼系数取100N*s-1*mm-1，变形距离d取0.1mm。仿真设置5秒100步，在后处理模块中得到齿轮啮合力时域图。

　　从图2-4可以分析得到，从0s到1s为加速阶段，随着速度的增加，啮合力的波动幅度增加，波动周期减小;在1s以后，啮合力基本呈现周期性变化，每个周期啮合力的变化趋势是按从最小值逐渐增至最大值，然后又变小的规律进行，反映了齿轮之间的啮合情况。即从将要进入啮合区域到进入啮合区域，然后到啮合区域中心，再逐渐退出啮合区域的运动过程，可得到齿轮接触力产生的最大值为1.3047E9N。

　　3柔性体模型分析

　　前面建立的风力发电机组模型，其构件都是属于刚体，在MSC.ADAMS中作运动分析时不会发生弹性变形。而实际情况是，风力发电机组的一些部件(如叶片、塔架等)在运行过程中会有较大的位移和变形，并产生强烈的振动，这就需要在对风力机做动力学分析时须考虑这些部件的柔性效应。MSC.ADAMS中柔性模块是采用模态来表示物体弹性，它是基于物体弹性变形时相对于连接物体坐标系的弹性小变形。其基本思想是赋予柔性体一个模态集，采用模态展开法,用模态向量和模态的线性组合来表示弹性位移，通过计算每一时刻的弹性位移来描述其变形运动。

　　3.1柔性塔架模型分析

　　本文用ANSYS软件提取风力机柔性部件模态，在建立柔性部件模型时要定义好材料特性，如密度、泊松比、弹性模量等，然后选择适当的单元类型来划分单元。

　　风力发电机多为柔性塔架，其一阶固有频率一般比较接近叶轮的激励频率，而高阶固有频率远远大于叶轮的激励频率值，不会和叶轮发生共振。因此进行模态分析时主要考虑的是其一阶固有频率。

　　在塔架坐标系内，XZ平面内一阶模态弯曲模态振型为5.422HZ，XZ平面内二阶模态弯曲模态振型为13.689HZ。从图中可以看出当振动频率达到13.689HZ时，塔架的变形是相当严重的。

　　在一定高度范围内，塔架的位移量随高度增加而增大，最大位移值在塔架顶端，如图3-3所示，其中横坐标为塔架高度，纵坐标为节点位移量，这与一般常规计算的结果也是吻合的。从塔架的应力应变图看出，最大值出现在塔架中上部的某一段，这与以往刚性塔架的最大应力总是出现在塔底位置不同。实际上由于载荷情况不同，塔架所受的最大应力往往出现在其迎风面一侧或者背风面一侧的某一高度处。从应力云图中可以发现，机组运行时，塔架上应力分布并不是均匀一致的，而是随着高度的不同其应力状况有所变化。这主要是因为不同高度处塔架的筒径、厚度不同，造成塔架随高度变化而得到了不同的强度分布。

　　3.2柔性叶片模型分析

　　根据柔体叶轮的动力学特点，选择合适的求解方法和积分格式至关重要。ADAMS中共有六种求解器，其中前四种为刚性数字积分法，ABAM为柔性数字积分器，RKF45为采用单步算法的非刚性求解器，后两种可用于求解含柔性体的模型;Formulation为积分格式，I3积分格式仅监控位移和其他微分方程的状态变量的误差。SI2积分格式中考虑了速度约束方程，可以控制拉格朗日乘子的误差，仿真结果较精确;SI1积分格式考虑了速度约束方程，但没考虑加速度约束方程，在相应地引入拉格朗日乘子导数后使方程降阶，仿真结果最精确。

　　从图4-1可以看出3个柔体叶片质心在X、Y坐标方向呈现正弦变化规律，如果将曲线放大，可以发现正弦内部还存在着正弦即“双正弦叠加”现象，这说明柔体叶片质心在X、Y方向存在振动现象,这个振动的产生就称作叶片的挥舞和摆振。这些现象更加说明多柔体系统更能反映叶轮系统实际的运动特性。

　　4刚柔耦合的动力学仿真

　　在ANSYS中提取风力机柔性部件模态，并将结果转化成MSC.ADAMS可以识别的柔性模态中性文件(*.mnf)，利用ADAMS对风力机整机进行刚柔耦合动力学仿真。选择ADAMS主菜单下的Built-Flixble bodies-Rigid to flex，完成组件刚柔体的替换。本文将塔架和叶片替换成柔性体，根据实际风载荷对风力机进行刚柔耦合的动力学仿真分析，得到时间为2秒第21步的应力云图，如图4-2和图4-3所示。

　　通过对整个系统的仿真分析，可以获得柔性叶片和塔架在任意时刻的应力应变分布情况，追踪其应力应变敏感时刻和敏感区域，而且可以显示应力应变的最大和最小节点，并列出所有节点应力应变的变化曲线以及应力应变的大小等等参数。从两图中可以发现，叶轮的每个叶片上应力的分布是不一样的：应力较大的部位集中在每个叶片的前缘、离叶根15m处附近(约是叶片三分之一处)。

　　5结论

　　风力发电机组系统的耦合振动是一个极其复杂的动力学问题，理论建模方面需要涉及到刚柔耦合多体动力学系统的建模与求解，系统的动力学模型中要考虑复杂的风载荷，偏航系统及传动系统齿轮的接触碰撞，以及非线性弹簧减振器的建立等问题。本文基于MSC.ADAMS软件，初步探讨了750KW风力发电机组系统动力学模型的建立及仿真问题，主要分析了以下几个方面的内容：

　　(1)利用三维实体造型工具SolidWorks和多体动力学仿真工具MSC.ADAMS建立了风力机轮毂、主轴、齿轮箱、发电机、底座等刚体模型，并对故障率较高的齿轮进行啮合力仿真分析;

　　(2)利用有限元分析软件ANSYS生成了塔架和叶片的柔性体文件，并将塔架和叶片替换成柔性体进行仿真分析;

　　(3)通过刚柔耦合动力学仿真分析，初步得出风力机增速箱高速齿轮啮合数据、塔筒产生最大应力应变的位置及三个旋转叶片的应力分布情况。

　　参考文献：

　　[1]李俊峰,高虎等.2008中国风电发展报告[M].北京：中国环境科学出版社,2008，14-15

　　[2]EER,2006欧洲风能市场评论[J].中国科技信息，2006, (17): 317～318

　　[3]GWEC. Global wind 2007 Report 2008.04.01.

　　[4]刘虎平.风力机叶片设计和颤振分析[D].西北工业大学硕士学位论文

　　[5]王超.张怀宇，王辛慧等 风力发电技术及其发展方向[J].电站系统工程，2006.3.22(3):11～13