基于本征几何精确方法的5MW与15MW风力涡轮机叶片非线性气动弹性性能研究及其对大尺度柔性设计的启示

本文系统阐述了采用本征几何精确梁（IGEB）理论构建的非线性气动弹性模型，突破传统位移型几何精确方法在百米级叶片分析中的精度与收敛性局限。该模型通过速度场表述和能量守恒积分，精准捕捉大变形、多向耦合及气动-结构相互作用，为15MW+超长柔性叶片的设计瓶颈提供关键理论支撑与仿真工具。

　　

Section snippets

Structural model

叶片非线性结构模型采用IGEB模型。该模型基于速度场表述推导，有效解决了有限旋转近似、剪切锁定现象及不稳定积分方案引起的精度与发散问题。为便于理解，下文简要总结IGEB模型的基本推导，详细数学细节可参考文献[44]。

Load models

与静态结构不同，旋转叶片承受气动力、重力及惯性（离心）载荷的动态耦合作用。此外，叶片坐标系中的载荷需通过整体坐标变换处理。叶片预弯、预扭和弹性变形效应也必须纳入载荷分析。因此，本文将分三部分介绍基于修正叶素动量理论（RBEM）的叶片载荷模型。

Blade nonlinear aero-elastic coupling

基于第2节结构模型与第3节载荷模型，本研究开发了针对长柔性叶片的非线性气动弹性模型，涵盖几何非线性、复杂叶片形态及气动-结构耦合效应。耦合框架（图3）包括：在每个时间步内，首先计算叶片坐标系中的载荷以获得分布单元载荷；根据叶片结构参数构建非线性平衡方程并求解响应；

Dynamic analysis of the intrinsic geometrically exact beam

案例1：在风力涡轮叶片结构动力学分析中，根部固定，叶片旋转并发生变形。采用Ibrahimbegovi?提出的旋转柔性梁案例验证IGEB模型。如图4所示，梁左端约束沿x轴和y轴的平移与旋转自由度，同时施加力矩M。梁参数定义为：

（此处省略具体参数公式）

其中ρ为质量密度，I为惯性矩阵。

Conclusion

本研究开发了风力涡轮叶片的非线性气动弹性模型（IGEB），采用本征几何精确理论表征大变形等几何非线性特性，在确保数值积分稳定的同时实现超长柔性叶片的气动-结构非线性分析。基于IGEB模型，对NERL 5MW和IEA 15MW叶片在不同风况下的气动弹性响应进行对比研究。

单向载荷作用下，稳态分析表明...