基于变分渐近方法的风力涡轮机叶片参数化截面建模与锥形梁修正

《Energies》：Dimensionally Consistent Torsional-Stiffness Modeling for Long Flexible Wind-Turbine Blades Using the Variational Asymptotic Method

　　

摘要

随着风力涡轮机尺寸的增大以及叶片趋向更长、更柔性的发展趋势，叶片的气弹响应日益显著。为实现高效且高保真的建模，亟需一种新方法。本研究基于变分渐近方法（VAM）开发了一种参数化二维截面模型，并保留了圣维南自由翘曲。引入Vlasov理论，将与扭转率纵向变化相关联的翘曲刚度项添加到能量泛函中，从而表征非均匀翘曲能量。为处理变截面叶片结构中的锥度效应，通过锥形梁修正（Tapered Beam Modification, TBM）引入量纲一致的偏移相关和梯度相关修正项，建立了锥形扭转刚度的表达式。数值结果分别针对锥形梁、均匀复合材料梁和NH1500叶片进行了展示；随后，该方法被应用于IEA 15-MW叶片。结果表明，对于锥形梁，TBM将全局频率等效刚度的偏差从4.2%降低至2.1%；而在IEA 15-MW的应用中，截面峰值修正量为x = 0.320处的3.88%，两种降阶模型之间的第一扭转频率差异为5.21%。报告的时间域和AEP差异量化了结构模型的敏感性。