岳 勇

（新疆新能钢结构有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830017）

0 引言

风能，是一种无污染，且应用前景非常广阔的绿色能源，作为一种可持续、可再生的优质能源，在全球提倡低碳环保的前提下，这种能源已经引起了更多的国家参与进来，并且也建立起了越来越多的风力发电厂，风力发电机技术的发展也是迅速成长起来，更多优质的、低投入风力发电机投入使用。在现代的电力发展方面，水力发电和风力发电已经成了电力供应的主流设备。对大型的风力发电机在柔性多体动力学方面的研究，将在很大程度上影响风力发电机的改进和设计。本文通过ADAMS，对当下的风力发电机建立分析模型，得到相关的参数特征，并与刚性叶片做出比较，从而得出风力发电机在柔性多体动力学方面的优势。

1 风力发电机的动力学特征

由于现代的风力发电机大都会因为它所处的工作环境的变化以及它本身组成结构的不同，所表现出来的动力学特征也跟普通的机械系统在很多方面的不同。因为风力发电机需要适应不同强度的风力以及时刻存在的变风载工，有的风力发电机常常会处于失速状态，针对这样严酷的工作环境，有的风力发电机需要持续使用很长时间，这就给风力发电机在叶片以及塔架的柔性变形这一方面提出了严重的挑战。

1.1 叶片的动力学特征

在ADAMS 中建立风力发电机叶片的数学模型，通过这个模型，对叶片所承受的最大风力以及叶片的柔性变形能力和叶片上的应力情况做出分析，通过这样的分析能够对叶片本身的抗风能力以及在阵风环境下的工作情况有所了解。相比于其他的建模软件，ADAMS 能提供一维梁单元的简化操作，还能够提供所有试验情况下叶片的变形和应力能力等方面的精确数据。

1.2 传动系统的动力学特征

在ADAMS 中建立传动系统的多体动力学模型，首先就需要根据多体动力学理论，通过对传动系统中的重要部件比如： 齿轮、轴承和轴系等添加相应的约束条件来模拟时间环境中的复杂风力情况，建立任意一个物体的运动方程和动力方程，从而形成传动系统的动力学方程。这样就完成了在ADAMS 中对传动系统的建模。在ADAMS 中可以通过应用已经形成的传动系统动力学方程对风力发电机传动系统以及轴承和轴系的自然频率等方面作出分析，进而得知行星轮、太阳轮以及动力传输系统中所有的齿轮系统的动态传动误差的变化规律。

1.3 整机的动力学特征

若需在ADAMS 中得到风力发电机整机的动力学模型，就需要在ADAMS 中建立耦合风力发电机风轮叶片模型、传动系统动力学模型以及电机模型，进而组装形成。通过在ADAMS 中建立风力发电机整机的模型，可以完全1:1 模拟风力发电机的启动以及发电还有关闭过程，全面检测风力发电机整机在自然环境下，承受不同风力变化时叶片和塔架的柔性变形能力和应力能力。还可以在这个模型中获取恒定风力下发电机传动系统中各齿轮部件的位移和动态合力。

1.4 柔性部件的变形和应力

对风力发电机上的柔性部件研究是本文研究的重点之一。同时，作为风力发电机的重要组成部件，它们的柔性变形能力和应力分布情况也关系着一台风力发电机是否能够投入使用。风力发电机中的柔性部件包括叶片和塔架。在ADAMS 中建立这两个柔性部件需要依据拉格朗日方程对叶片和塔架进行变形方程的定义，从而得到整个系统的动力学方程。在ADAMS 环境下，研究人员也可以做与自然环境下1:1 的力学实验，对叶片以及塔架在不同等级的风力之下，柔性变形能力和应力分布情况等进行研究，得出相关数据信息。

2 模型的建立

在研究风力发电机柔性多体动力学之前，首先需要在ADAMS 环境下建立相应的叶片模型、塔架模型、叶轮模型等。

2.1 叶轮多柔体模型

在对风力发电机的叶轮建立模型研究时，一般不采用建立钢体模型的方法来研究，因为将叶轮当做一种钢体机构研究的话，虽然能够得到一些数据，但这些数据与实际相比存在较大的差异，实际中的风力发电机在承受不同等级风力时，都会发生一定程度的形变和位移，这就需要在研究风力发电机叶轮时，在ADAMS 中建立叶轮多柔体模型，这样不仅可以真实的看到叶轮在工作时的动态行为，还可以直观的观察风力发电机在不同风力下的应力情况。ADAMS 通过赋予叶轮和塔架一个模态集的方式，将整体的模态柔性当做风力发电机柔性部件的弹性，用模态向量和坐标表示风力发电机在工作时面对不同等级风力所产生的位移情况，对于模型中叶轮或者是其他的一些部件发生的位移和时间ADAMS 都会对其作出记录，以便在之后建立变形方程时使用。

2.2 叶轮多柔体模型的运动关系创建

风力发电机是一完整的钢结构体，它的各个部件之间是通过螺栓连接的。风力发电机都有三个叶片和一个塔架以及轴承组成，一般的风力发电机的组装一共需要使用62 个刚性连接螺栓来将叶片和塔架以及轴承连接起来。

2.3 叶轮模型载荷和加载

风力发电机的使用需要在超过一定级别的风力地区，这样的使用环境对于风力发电机来说算是异常严苛了，风力发电机在这样的环境中，所承受的载荷工况都会随着周围环境以及风力的变化而改变，所以，风力发电机的运作常常会处于一种失速状态中。对于风力发电机在风力变化情况下的载荷和加载，要在ADAMS 中模拟这种情况是比较困难的，但ADAMS 的优点就在于使用ADAMS 建立风力发电机模型研究它的柔性多体动力学时不需要考虑风力变化，只需要将环境变化加载进去就可以了。

（1）载荷计算。对特殊环境下的风力发电机做出柔性多体动力学的研究，就必须在ADAMS 环境中计算出不同风力下叶片的应力分布情况。当下对这种应力分布情况的计算，最有效、最科学的要数叶素理论了。研究叶片的应力分布情况时，只需要将叶片合理的分成几个段，每个段之间假设不存在力的相互作用和干扰，每个分段上所承受的力就可以单独拿出来分析，然后再将所有的段加起来得到整个叶片承受的风力。由于每个风力发电机的叶片都是一种特殊的、能够减轻风对叶片的升力和阻力的结构，所以在利用叶素理论计算每个段的应力情况时，需要将风给予叶片的升力和阻力抵消掉一部分，将剩下的力作为叶片所承受的力，只有这样一次计算每一个段的力，再将每个段的力相加，才能得出整个叶片的受力扭矩。

（2）载荷加载。要在ADAMS 中对叶片实行载荷加载，就需要在ADAMS 中编写一段能够将叶片承受的整体风力添加到叶片上的方程。作为整个风力发电机最重要的部件，之所以能够产生电能，是通过叶片在风力的压迫下转动，再将这部分动能转化为机械能，再将机械能转化为电能。在这个过程中叶片是最重要的一个环节。对叶片进行柔性多体动力学分析，首先要对叶片的受力情况进行分析。当叶片禁止的时候，叶片承受的力包括自身的重力和塔架给它的支撑力。转动时，在重力和支撑力的基础上再加上空气动力和转动的离心力。风在带动叶片转动时，风施加在叶片上的载荷都是沿着叶片表面分布的。之前所涉及到的叶轮扭矩会随着叶轮形状的改变而改变，所以，在ADAMS 中对叶轮加载载荷时需要通过对叶片质量中心的三个点施加约束力实现的。

3 仿真分析

3.1 参数设置

在ADAMS 中进行风力发电机的柔性多体动力学研究，需要对相应的一些仿真实验进行参数设置。在这个仿真实验中需要设置的参数包括： 风力发电机的叶片形状、长度；塔架的高度；风力发电机所需要承受的5～8中级别的风力环境；风力发电机本身的两个柔性部件的变形能力和应力变形能力；仿真时间以及实验步数等。由于ADAMS 环境下的仿真时间不能完全模拟现实情况，所以程序的设置关系到了每一步实验的误差程度，步数越多，得到的数据越多，最后计算的误差也就越小。在ADAMS 中进行仿真实验可以在ADAMS 自带的数据库中提取相关的方程使用比如： 拉格朗日方程、运动方程、变形方程等。

3.2 叶轮动力学仿真分析

将之前的所有需要设置的量设置好以后，就可以对风力放电机的柔性多体动力学进行研究了。在这个过程当中，每个步数中都会产生这个时间点的所有结构变形数据，在计算机中将这些数据进行统计计算之后，就能够得出大概的叶片在风里影响下的变形方程了。

4 动力刚化

动力刚化现象又称为应力刚度、几何刚度、几何非线性、运动诱发刚度、初始应力刚度，是由于作大范围空间运动的柔性体因运动和变形之间的相互耦合而导致的柔性体刚度的增大，这种现象被称之为动力刚化。在ADAMS 环境中进行风力发电机的柔性多体动力学研究时必须将动力刚化现象考虑进去，因为有动力刚化的出现，将会影响叶片在高速运动下，传统柔性多体动力学研究所计算出来的数据与没有出现动力刚化现象时所得到的的计算结果存在较大的偏差。在ADAMS 环境中进行风力发电机的柔性多体动力学研究时，可以在ADAMS 中采用非线性有限元和附加刚度以及变形耦合等方法来抵消由于动力刚化产生的数据偏差。

5 结论

在ADAMS 环境中进行风力发电机的柔性多体动力学研究，是一种新的研究方向。通过在ADAMS 环境下设置相应的量的参数，基本上可以进行与外界真实环境1:1 的仿真实验，这对于一种新型的风力发电机的设计和产生有这重大意义。对于本文中论述到的相关研究方法希望能够对将来的风力发电机的研究和设计提供依据。

[1] 陆佑方.柔性多体系统动力学[M].高等教育出版社,1996.

[2] 于清，洪嘉振.静力校正模态在闭环柔性多体系统动力学仿真中的应用[J].多体系统动力学，1996.

[3] 魏华梁，单家元，李钟武.飞行模拟器动态特性的仿真研究[J].北京理工大学学报，1996.

[4] 梁丽哲，姚兴佳，祝贺.大型柔性风电机组动态模型研究[J].可再生能源，2010.

[5] 梁宣.21 世纪绿色电力的发展[J].水利电力科技，2002.