更新的风力涡轮机桨叶截面有限元模型用试验模态分析的结果

文摘

本文选择面向多学科和跨学科研究的结果和方面的实验和数值研究bend-twist耦合结构动力学的全面风力涡轮叶片结构的部分。进行研究的主要目的是验证有限元模型的修改后的风力涡轮机叶片部分安装在柔性支撑结构相应的实验结果。Bend-twist耦合是实现通过添加角度的单向层吸和叶片的压力面。动态测试和模拟进行一段全面丹麦维斯塔斯风力系统公司提供的风力涡轮机叶片/ S。数值结果与实验测量结果进行比较和差异评估固有频率和模态保证标准的差异。基于灵敏度分析的模型参数集被选为模型更新过程。试验设计和响应面方法实现的收益率模型参数值最接近实验结果。更新后的有限元模型产生的结果更符合测量的结果。

1。介绍

风力涡轮机叶片必须旨在抵制极端荷载情况下,疲劳载荷从正常操作。突然狂风经常过于活跃的音调控制系统快速反应,可能大幅缩短疲劳寿命。这个问题可以克服一个叶片的气动弹性剪裁。特定实现的各向异性复合材料可以在叶片(介绍bend-twist耦合1- - - - - -4]。在[5)一个新的梁元素,能够考虑各向异性材料的行为,制定和实施到HAWC2空气弹性变形的代码。这使得它可以模拟风力涡轮机叶片的结构耦合。耦合使羽毛叶片弯曲荷载下扭曲,因此降低了攻角。最初的风力涡轮机叶片复合材料制成的部分是静态测试和建模与模型验证分析(6,7]。基于现有叶片的分析结果bend-twist耦合设计修改通过额外的复合材料层。在[8)的概述统计和叶片模态分析实验原始和修改部分。本文的更新修改风力涡轮机桨叶截面的使用提出了试验模态分析有限元模型。有限元(FE)模型更新已经成为一个重要的工具用于结构动力学(9,10]。提出了一系列有限元模型更新过程(11- - - - - -13]。直接,noniterative一步过程中方法更新FE模型属性(14]。方法基于敏感性参数解决优化问题的迭代过程。为有限元模型的示例应用程序的静态应变测量更新指出(15]。多目标优化技术应用于土木工程结构的有限元模型更新报告在结构动力学(16- - - - - -18]。迭代更新使用基于灵敏度的方法需要大量的计算的有限元模型,修改参数值(9,19,20.]。基于响应面法(RSM)的有限元模型的元模型是一种近似可以取代在更新过程21,22]。RSM法广泛应用于工程应用[19,23,24]。部分2和3本文提出的结构动力学的识别,这是由试验模态分析的方法。RSM建立有限元模型更新过程使用实验设计(DOE)来估计结构参数提出了基于测量固有频率和振型4。有限元模型更新和验证实验确定修改支持下桨叶截面结构的动态行为。支撑结构动力学的影响对试样进行了探讨。

2。调查的对象

调查的对象是八米长的部分从23-meter风力涡轮叶片。桨叶截面安装在两根夹(图1)。

刀片是一个空心结构有两个贝壳。两个贝壳形成吸和叶片的压力面。加入两个壳结构网络是合并。研究叶片设计的维斯塔斯负荷箱形梁。最初的桨叶截面是修改UD1200四层,层压在压力和叶片吸力面纤维25°角来创建一个可衡量的flapwise bend-twist耦合。额外的层是层压显示在[6,7]。支撑结构是建立和使用圆柱梁(钢管),“我”和“C”形UNP-profiles和机翼contour-cut夹板夹。几何和材料属性展示在表1。

3所示。实验和数值研究桨叶截面的结构动力学修改

修改后的桨叶截面研究通过实验模态分析。特别关注在支撑结构的影响数值之间的相关分析和试验模态模型(25,26]。

3.1。实验活动和结果

桨叶截面很兴奋附带两个电动瓶在末梢flapwise和沿边的方向。频率响应函数测量和存储在0和120赫兹频率范围。

足够的识别叶片的动态位移,加速度振动测量的130点。沿着span-wise十三等距测量截面定义方向()每0.5 (m)。每个截面包含五个计量点的加速度沿flapwise收购()和沿边()方向。这些点是位于前缘,后缘,在机翼最大厚度的线,和前三之间的中点。测量方向精确定义基于桨叶截面的CAD几何。

模型质量评价是一个综合的调查的一部分。除了时间不变性的另一个条件必须遵守满足模态分析的假设:线性,麦克斯韦互惠原则和可观察性。可能来源调查中的非线性结构材料属性、几何属性和债券连接验证叠加规则的存在是检测非线性的方法之一。线性检查完成的驱动电压的水平从0.5 (V) 2 (V)和0.5 (V)的步骤,结果呈现在图2。输入信号之间的频率响应函数(降维)和输出谱定义为加速度在力保持不变独立的励磁电压水平。这证明结构动态特性是线性的带宽内的兴趣。

互惠检查是基于麦克斯韦的原理,即通过应用获得的降维力在2点1和测量响应,反之亦然应该是相同的。两个检查执行结果证实了互惠法则的适用性。

在数据的处理,一些重要的噪声是观察获得有效的低频区域。驱动点的相干函数显示一个小滴在这个地区,这意味着非理想的激励(图3)。

模态参数识别技术显然无法稳定模式在这一地区,可能导致一些地方错误的模式形状低于7赫兹。提供自然频率估计、模式形状和相应的阻尼比率0-60赫兹的频率带宽。前五的12图提供了模式识别形状4。MAC(模态保证标准)可以用来比较两个模态模型(27]。如果两个复杂向量之间存在线性关系,MAC值将接近1。如果它们是线性无关的,MAC值会很小(接近于零)。图5显示了AutoMAC比较得到的模态模型只考虑叶片上的传感器和一个还包括支撑结构的响应。

低价值的非对角的条款只叶片模型确保估计模态向量的线性无关。非对角的条款增加之间的关系,包括支撑结构的分析。这是由于一个事实,即夹紧并不是完全刚性和支持自己的动态行为影响测量叶片的响应。

在图5,红色对应于MAC值等于100。亮绿色的颜色反映了MAC值0。模式对应于频率8赫兹,28赫兹,31日赫兹,33赫兹动态属性相关的支持结构。此外,鉴定(a)和(c)在图5表明,该数值模型仅仅基于叶片几何收益率少形状独特的模式。比较数据5(一个)和5 (c),离开主对角线AutoMAC条款的相关性较低,理想的情况是由于模式形状的区别。模型产生平庸的模式形状不适合模型更新。

3.2。有限元模型的支持下桨叶截面结构

数值模型采用MSC。Patran / Nastran叶片有限元模型(图6)。它由8-noded壳元素(Quad8)和20-noded固体元素(Hex20)。这个模型有大约600 000自由度(6]。最初的叶片成型的有限元模型是研究开发的静态响应。桨叶截面完全固定在边界附近的截面选择代表夹紧试验装置的配置。

边界条件是充分代表支撑结构在静态分析6,7,28)被用于最初的理论模态分析。在测试的相关分析和有限元模态模型结果表明模式形状发生不可忽视的差异。相对较轻的和灵活的支持(图5 (b))有重大贡献的模式形状研究结构(图中可以观察到MAC值5 (c))。为了消除上述问题,一个额外的支持结构模型必须引入叶片部分测试建立有限元模型。原始有限元模型的主要假设之前修改是保持额外的FE模型尽可能的简单,因为数值模型还比较大,而这可能与仿真结果与实测数据在各点用于测试阶段。

图中可以看到6离开,真正的支撑结构包括管道、UNP-profiles,支持蛤contour-cut胶合板。基本信息的几何和材料特性利用派生额外FE模型展示在表1。

额外的FE模型由梁元素(CBEAM Nastran符号),壳元素代表胶合板(QUAD8),弹性梁元素之间的弹簧代表配件(CELAS1)刚性酒吧连接夹板和我形状夹梁(RBE2并进行全规模),和额外的刚性酒吧结束位置对应的位置测量分测试设置(RBAR)。胶合板之间刚性连接和我的形状是合理的,因为大差异在E模块的材料。表示FE-to-test匹配与刚性酒吧不引入额外的系统刚度和全球模式支持的形状是可以接受的,只要感兴趣的。支持FE模型制备后,额外的和原始的FE模型合并。节点叶片之间的接口和支持结构,也就是说,胶合板和叶片的外表面之间,有克制的旋转自由度。这种方法被因为在现实结构界面实现profile-cut胶合板和叶片之间大约200毫米的宽度,而在数值模型只使用单行的节点。

3.3。相关分析的仿真和测试结果

基于试验模态估计模型和修改叶片有限元分析模型的相关性分析可以应用。有限元模型应该产生固有频率值和形状符合测量模式。模态保证标准也用作original-modified叶片模拟和测试模拟相关指标。

全球坐标系统用于定义测试模型不同于用于有限元模型。为了使模型匹配需要应用几何相关性测试模型的平移和旋转(图6)。下一步是节点的映射。测量节点的数量远低于有限元节点。模态向量比较只从有限元节点位于接近测量的点。只有部分的叶片夹后考虑。

桨叶截面模型解决了计算模态形状0-60赫兹的频率带宽。计算进行了CI任务,学术计算机中心在Gdańsk 50 tflop集群。模态保证准则计算了相应的模式,以最接近的数值和实验模式形状过程占固有频率值和模式(表形状的一致性2)。

以下模式进行调查:1号和2号flapwise弯曲,第一和第二扁弯曲,扭转(图14)。MAC矩阵图7清楚地表明,非对角的术语是低价值确认估计模态向量的线性无关。最好的测试和仿真模态向量的一致性可以观察到第二flapwise模式(表2)。

结果的一致性可以认为是满意的;然而目前的差异需要进一步调查。观察值之间的MAC标准测试和模拟模式(图7可以通知),差异。他们是由支撑结构的影响,而不是完全兴奋第一弯曲模式。提出了进一步研究观察到的差异部分4。

4所示。更新测试结果的数值模型

满意的静态测试和模拟结果的一致性证明的有效性桨叶截面有限元模型的修改。结构动力学分析显示测试和模拟之间的不能令人满意地大差异。这些差异的主要原因是相关支撑结构的灵活性的影响。它是复杂结构由许多管子夹紧环,螺纹我梁和胶合板。结构约束下的一部分的结构。改进的有限元模型三步程序实现。在第一步模型的灵敏度分析是为了确定模型参数计算上最有影响力的研究模式。在第二步中实验设计(DOE)生产过程统计数据制表的输入-输出关系。在第三步响应面模型(RSM)计算来确定模型参数对固有频率的影响。研究反应获得模型参数的特定值允许更新支撑结构的有限元模型。

4.1。敏感性分析

参数的原始桨叶截面模型假定为常数和没有更新的主题分析。56个参数描述的支持结构和其他复合材料单向层模型被定义为初步设计变量的灵敏度分析。他们组成材料特性,如弹性模量、剪切模量和密度的附加综合单向层夹板夹,橡胶垫,钢管和衬套。本研究发现:(我)确定参数(输入),对感兴趣的模式频率没有影响(输出);(2)确定输入导致重大变化的输出。

频率灵敏度分析结果呈现在图8。系统的总质量不清楚所以质量敏感度是不计算。基于分析的结果7参数集被选为实验设计(表的输入变量3)。

频率灵敏度分析提供信息最有影响力的支承结构的材料属性和额外的复合层。有几种不确定性相关的未知属性的支持结构建筑组件(图9)。C形梁钻;我夹光束形状由两个螺栓C形梁、胶合板属性和连接的组件。基于频率灵敏度分析结果支持结构的材料特性和额外的复合层选择更新参数。

4.2。实验设计

系统的有限元模型的计算在调查中需要大量的小时为一个运行。因此应用优化分析需要大量的运行不是一个最好的可用的模型更新方法。系统中的许多变量输入(因素)影响输出(响应)的设计实验过程可以用来收集数据。结果数据是用于开发一个近似模型(如响应面方法)连接输出和输入。实验设计是使用完整的阶乘。它需要计算2^k组合,k是一个多种因素。与7因素(表3)应用印数为128。它取得了21项出现在二次模型。

能源部数据的分析进行识别输入(因素),引入显著改变输出(响应)。为此众多散点图绘制和分析。三维散点图的例子是图所示10。它还允许屏幕的响应值计算模型是最接近获得测量值。美国能源部散点图显示了每一层的输出(响应)值的每个输入变量(因素)。它可以观察到不同位置和规模都在一个因子变量(名义、最小和最大)和不同的因子变量之间(杨氏模量钢管和钢筋的杨氏模量)。散点图的评论数量的变量(输入)和允许识别重要的因素提供了一个排名的重要因素实验设计的结果。

旁边的散点图的直方图的阴谋被吸引到现在的分布计算的反应。可以确定中心,传播,离群值。9日的直方图情节模式的例子频率呈现在图11。纵轴显示相应数量的运行水平轴上的响应。

9日模式频率的柱状图显示了结果分布几乎是对称的结果位于邻近的名义价值。数据不扭曲不包含异常值和分布是适度跟踪那印数是死亡在直方图的尾巴。

4.3。响应面模型

基于实验设计、响应面方法计算使用多项式模型的几个因素,包括二次得叉积条件显示在图12。

RSM方法允许美国能源部结果的进一步处理。3 d图形绘制基于可用的设计变量的贡献。的固有趋势因素反应多维关系计算选定输入应用泰勒多项式。统计模型可以近似正确的数据和预测的响应没有漫长和昂贵的模拟运行。

通过分析RSM模型的有限元模型参数的值(因素/输入)被选中(表4)。

结果更新的相关分析,验证有限元模型显示显著改善的结果相比原始有限元模型(图13)。测试模式的40.9 (Hz)和43.8 (Hz)更好的符合有限元模式。

初始频率值差异的比较(表2(表)和最终的模型5)表明,最高的仿真和实验频率之间的差异可以观察到扭转模式最初和最终的模型。频率不同铁初始和最终模型为测试模式4.5 (Hz)已经从−−5.4%下降2.2%和19.2 (Hz)模式从−−7.3%的10.5%。

5。结论

本文提出了面向多学科和跨学科研究的结果和方面的数值研究更新的有限元模型的风力涡轮机桨叶截面采用试验模态分析的结果。

实验测试数据的例子所示,用于两个目的:首先评价柔性支撑结构的影响到测量结果的bend-twist耦合桨叶截面其次使用有限元模型更新的测试结果。常见的观察从调查显示是桨叶截面模型精度很大程度上取决于边界条件模型中表示。基于约束的自由度的简单方法导致实验和数值结果之间的差异。提出了研究介绍了复杂的参数模型的灵活支持结构导致更现实的结构行为的《系统。详细胶合板板和钢概要文件包含和接触元素被应用到模型夹子和桨叶截面之间的联系。如预期,提高了更复杂的支撑结构菲表示之间的一致性测试和模拟。试验设计和响应面模型研究允许更新成功证实了有限元模型的模态保证标准。实验和数值模型的比较清楚显示的影响支撑结构的灵活性。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

丹麦维斯塔斯风力系统公司/ S提供和修改叶片部分提出了研究。丹麦能源权威支持的工作部分是通过2007年的能源研究计划2007年(EFP)。支持EFP-Project标题是“各向异性梁模型分析和设计被动控制的风力涡轮机叶片”和杂志上没有。33033 - 0075。支持是感激地承认和高度赞赏。作者要感谢菲利普Haselbach先生的帮助。研究了部分5在的背景下开展FP7项目STA-DY-WI-CO引用没有之下。251309年,IMESCON引用没有。264672年,MARE-WINT引用没有。309395年。集群计算进行50 tflop任务学术计算机中心在格但斯克,波兰。这项研究的部分支持由PL-Grid基础设施。

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