题目：大型风力机气动弹性力学分析方法研究

随着风力机叶片尺寸和柔性的增大，叶片的大幅振动、动力学刚化以及动态失速现象愈发明显。目前在工程计算方面，很多用于时域仿真的商用软件对一些极端风况以及阵风情况下的气弹响应尚不能做出准确的描述；在学术研究方面，尽管许多学者对于风力机结构、非定常气动力模型做了深入的研究，但是研究中所使用的模型很难全面地反映风力机在各种运行条件下的气动弹性特性。现阶段风力机气动弹性分析方法由于存在上述缺陷，无法满足对风力机发电效率、结构强度隐患以及结构疲劳寿命等方面的综合分析与设计的要求。基于这种现状，本文提出一种大型水平轴风力机气动弹性力学分析方法，以求统筹兼顾地解决在各种运行条件下出现的气动弹性问题。

本文包含如下内容

(1) 开展了能够考虑叶片大幅振动、旋转动力学刚化特性以及动态失速特性的风力机气动弹性力学建模方法的研究。本文结构动力学模型采用Dugundji和Drela对直升机旋翼以及大展弦比飞行器建模的思想，将非线性大变形梁单元的本构方程，内力平衡方程以及总体动力学方程等统一组成系统方程组作为结构动力学模型。非定常气动力建模基于广义动态入流以及Leishman–Beddoes动态失速模型。通过定义结构、气动模型之间的坐标转换，实现两个模型之间的数据传递；采用“弱耦合”思想在每个时间步上实现结构模型与气动力模型之间联合仿真。使用一个悬臂梁模型、3个风机模型和一个直升机旋翼模型分别从静力学大变形、模态、旋转动力学刚化以及非定常气动力等各方面对本文建模方法开展了验证工作，证明本文方法能够正确反映风机叶片的静力学、动力学以及气动力特性。

(2) 开展了系统非线性气弹方程迭代收敛性问题的研究，并进行了增强迭代收敛性数值算法的探索。对于一些尺寸、刚性较大的风机模型，普通Newton迭代在计算过程中的收敛性欠佳。本文采用Newton下山法以及同伦延拓法等大范围收敛的数值算法，改进系统方程求解的收敛性。根据同伦延拓的思想使用数值求积为Newton法寻找合适的初值，并提出一种自动改变步长的策略，并引入非奇异参数解决在求解过程中出现的Jacobi矩阵奇异的情况。

(3) 开展了额定风速和典型阵风条件下风力机气弹响应分析的工作。研究了塔影效应和偏航带来的影响。发现结构在偏航状态下承受相对更加严重的交变载荷。对国际电工委员会制定标准中规定的各种典型极端阵风情况进行了组合分析，发现如果标准中规定的升降阵风和极端方向变化同时出现，则会出现较为严重的瞬态结构载荷。采用戴维南等效电路模型模拟发电机负载，建立风轮-发电机耦合的气动弹性-电力耦合仿真模型，得到风力发电机瞬态功率响应特性。经研究发现叶片动态失速会造成风力机发电功率大幅值波动。

(4) 开展了极端风速下的风力机气弹稳定性研究工作。通过对高风速，处于飞转状态和停转状态下的风轮叶片进行气动弹性仿真，研究其大幅值气动弹性动力学响应特性，探索这种非线性动力学系统的稳定边界。发现系统在结构、气动非线性因素的作用下，会出现开始等幅振荡和开始振荡发散两种临界状态，对应的风速分别称为“下临界”和“上临界”。通过计算发现了临界风速与风轮运行速度、叶片刚度以及偏航角等因素的关系。通过对临界状态下叶片气弹响应的数据进行频谱分析，发现本文算例的风轮的气弹失稳形式为面内摆振失稳。

本文开展的大型风力机气动弹性力学建模方法以及风力机气动弹性特性分析的研究工作为人们进行风力机设计、分析、强度校核以及结构、气动力模型研究方面的工作建立了基础。