【正文】 3葉片載荷計(jì)算及分布研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境是相當(dāng)復(fù)雜的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中所承受的載荷也是極其復(fù)雜的。 通過(guò)對(duì)空間一點(diǎn)及多點(diǎn)風(fēng)特性進(jìn)行分析，簡(jiǎn)述了三維風(fēng)模擬的理論方法，利用TurbSim模擬器得到仿真分析所需全域背景風(fēng)文件或輪轂高度風(fēng)文件。9186。4m/s之間，且具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，數(shù)值變化相對(duì)X方向較慢；而圖28表明，Z方向的風(fēng)速變化主要集中于177。[30]目前，產(chǎn)生湍流風(fēng)模型中主要是通過(guò)Von Karman模型和Kaimal模型來(lái)完成，雖然兩個(gè)模型的交叉頻譜密度函數(shù)和自頻譜的形式有一些不同，但是這兩款模型被普遍認(rèn)為是真實(shí)大氣湍流的最完好的表達(dá)。而針對(duì)仿真非平穩(wěn)分量，TurbSim則通過(guò)在其生成的時(shí)間序列值中添加可選擇的擬序結(jié)構(gòu)以及由頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域來(lái)實(shí)現(xiàn)，最后，生成AeroDyn可以讀取的全域的背景風(fēng)文件或輪轂高度風(fēng)文件，其仿真原理如圖23所示：圖23 TurbSim仿真原理圖其中，細(xì)黑線顯示的代表內(nèi)部變量及過(guò)程，粗藍(lán)線顯示則表示由輸入文件參數(shù)影響的過(guò)程；TurbSim的仿真流程圖如圖24所示：圖24 TurbSim仿真流程圖本文基于TurbSim中的Kaimal模型對(duì)參考高度為80m, /s，得到仿真結(jié)果如圖2圖2圖2圖2圖29所示。TurbSim先在頻域中定義速度分量譜及空間連續(xù)性，然后通過(guò)逆傅里葉變換(IFFT)生成時(shí)間序列值。TurbSim是一個(gè)隨機(jī)的、全域的、湍流風(fēng)模擬器，TurbSim基于統(tǒng)計(jì)模型，而不是基于物理模型，它通過(guò)數(shù)值方式仿真固定在空間中的矩形網(wǎng)格里某一個(gè)點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向的風(fēng)速時(shí)間序列值。目前，產(chǎn)生風(fēng)文件的模擬器主要有TurbSim 、Bladed[26]等軟件，當(dāng)然還有通過(guò)Matlab/Simulink編寫形成風(fēng)文件的仿真程序。因此，這里針對(duì)每一種工況至少進(jìn)行三種不同的時(shí)間歷程的計(jì)算，而對(duì)于每一時(shí)間歷程都運(yùn)用氣彈程序驗(yàn)證，以確保在不同的歷程中取得不確定性的概念。旋轉(zhuǎn)葉片上的某一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間歷程一般稱為旋轉(zhuǎn)采樣；而對(duì)于葉片上以固定不變的速度旋轉(zhuǎn)的情形，相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)直接進(jìn)行計(jì)算進(jìn)行過(guò)闡述。圖22風(fēng)力機(jī)風(fēng)速時(shí)間歷程點(diǎn)的分布一般通過(guò)空間內(nèi)插方法就可以求得掃略網(wǎng)格葉片上的速度。為保證空間各點(diǎn)相關(guān)性，Mann,－斯托斯克方程。其中虛部的長(zhǎng)度相當(dāng)與等于空間點(diǎn)數(shù)的向量，我們可以計(jì)算為： (219)和可以變換為與相位： (220)最后，在諸點(diǎn)，處的時(shí)間歷程則可以計(jì)算為： ， (221)運(yùn)用方程()和準(zhǔn)確的功率譜密度、相關(guān)函數(shù)，對(duì)每一個(gè)速度分量，可以獨(dú)立計(jì)算出所有點(diǎn)的時(shí)間歷程。[23]第二步，通過(guò)下述循環(huán)可以計(jì)算出出下半三角矩陣： (218)其中以作索引的每一點(diǎn)以及每一離散頻率，可以求出位于和之間的隨機(jī)數(shù)，來(lái)表示方程(214)中的相位。非對(duì)角線上的項(xiàng)是互功率譜的幅值。[22]標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)為我們給出了一種可能的選擇： (217)文獻(xiàn)［10］中提供的方法能產(chǎn)生所描述的功率譜密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)的三維風(fēng)，下面僅僅給出算法。同理，低頻部分則與大型渦相關(guān)，涵蓋了流動(dòng)的更大的部分。當(dāng)然這里說(shuō)的相關(guān)不光與這兩點(diǎn)之間的物理距離有關(guān)，而且還要考慮與這兩點(diǎn)的頻率相關(guān)。綜上所述，將功率譜密度函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化為： (214)如果標(biāo)準(zhǔn)偏差為1，湍流強(qiáng)度為。通過(guò)方程(213)，就能極其簡(jiǎn)單地計(jì)算準(zhǔn)確且所與描述的功率譜密度函數(shù)一致的離散時(shí)間歷程。逆離散傅里葉變換應(yīng)按照如式211和212進(jìn)行傅里葉變換，以得到所描述的功率譜密度函數(shù)：[21] (211)其中方程(211)可以寫為 (212)式中：是頻率的相位角。是指頻率，單位為。[19][20]通過(guò)功率譜密度函數(shù)，構(gòu)建出來(lái)的時(shí)間歷程這一種方法稱之為逆離散傅里葉變換。若假設(shè)所選的信號(hào)是具有周期性的，那么可以使用離散傅里葉變換時(shí)間歷程分解成： （21）其中系數(shù)為： (22) （23） (24) (25)將（21)代入方差的代數(shù)式，可以得到： (26)其中功率譜密度函數(shù)的方差為： （27）式中：是頻率，離散化積分式(27)，給定頻率位于和之間，得到： (28)比較方程(27)和方程(28)，可以看出功率譜密度函數(shù)可以計(jì)算為： (29)對(duì)于已測(cè)得的時(shí)間歷程，都可以通過(guò)方程(23)、方程(24)和方程(29)來(lái)確定功率譜密度和傅里葉系數(shù)函數(shù)。其中，采樣頻率為。一般的風(fēng)速儀會(huì)使用采樣頻率 對(duì)某一點(diǎn)的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量， 是指兩個(gè)采樣值之間的時(shí)間差，而這里輸出的是一系列數(shù)字,所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別是。并將設(shè)計(jì)的新型螺栓與原有的螺栓進(jìn)行有限元分析對(duì)比，驗(yàn)證新型螺栓的優(yōu)越性。4. 將理論計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論計(jì)算的數(shù)據(jù)的合理性。最后，生成動(dòng)力仿真所需的全域背景風(fēng)文件或輪轂高度風(fēng)文件。借助TurbSim風(fēng)模擬器，對(duì)風(fēng)特性明顯的湍流風(fēng)進(jìn)行模擬。結(jié)合風(fēng)力機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中葉根聯(lián)接失效比較嚴(yán)重這一現(xiàn)狀，對(duì)原有聯(lián)接螺栓重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，以降低葉根螺栓發(fā)生斷裂失效的幾率，提高聯(lián)接的可靠性，改善葉根聯(lián)接的運(yùn)行狀況。經(jīng)處理得到各截面及各個(gè)方向上的載荷曲線及數(shù)據(jù)列表。為了能很好的實(shí)現(xiàn)工作內(nèi)容，本研究中采用CAD/CAE結(jié)合技術(shù)，將ProE（三維建模軟件）、GH Bladed(風(fēng)機(jī)性能和負(fù)載的設(shè)計(jì)軟件)、ANSYS（有限元分析軟件）等結(jié)合起來(lái)進(jìn)行協(xié)同仿真，研究技術(shù)路線如圖14所示。文獻(xiàn)[16]在分析螺紋聯(lián)接彈性變形的基礎(chǔ)上，對(duì)一種新的螺紋配合方式進(jìn)行了深入的研究，將微錐內(nèi)螺紋與同標(biāo)準(zhǔn)外螺紋進(jìn)行螺紋聯(lián)接。文獻(xiàn)[14]通過(guò)改變外螺紋齒根到齒中徑的距離，開發(fā)了一種等載特種螺紋結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[15]通過(guò)對(duì)螺母螺紋牙單側(cè)面進(jìn)行切削，確保螺母的螺距不再相等，進(jìn)而使得每圈螺紋受力趨于相等或者近似相等。為了解決螺紋牙上的載荷分布不均問(wèn)題，提高螺栓聯(lián)接疲勞強(qiáng)度主要通過(guò)以下方法[13]：變徑螺紋副，把螺紋牙根到中徑的距離進(jìn)行改變，以確保各個(gè)螺紋牙受力基本趨于一致，對(duì)螺母結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)優(yōu)化，譬如采用懸置螺母、內(nèi)斜螺母和環(huán)槽螺母等，以減小螺栓旋合段本來(lái)受力比較大的幾圈螺紋牙的受力面。鄭永利等人[12]在考慮材料、結(jié)構(gòu)、螺紋類型、尺寸參數(shù)、制造和裝配工藝等影響螺栓強(qiáng)度的因素下，研究了材料、結(jié)構(gòu)及螺紋部分滿足要求的情況下，螺栓光桿部分的直徑大小對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響.[12]而針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上使用的高強(qiáng)度螺栓，對(duì)螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究的目前更少。一般情況下，螺栓的強(qiáng)度是由受拉螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度決定的，螺栓的強(qiáng)度主要包括了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。重慶大學(xué)何玉林等[10]人對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂和葉片軸承連聯(lián)接螺栓進(jìn)行了有限元分析，該分析僅在較少工況下對(duì)螺栓、輪轂和軸承所受應(yīng)力進(jìn)行了分析。[9]葉根螺栓聯(lián)接及螺栓疲勞斷裂如圖113所示： 圖12葉根螺栓聯(lián)接 圖13 葉根螺栓斷裂單就螺栓聯(lián)接技術(shù)而言是一門成熟的技術(shù)，但對(duì)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這一典型的疲勞機(jī)的螺栓聯(lián)接分析研究目前還比較少。現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，由于葉根聯(lián)接螺栓斷裂導(dǎo)致葉片事故的情況相當(dāng)嚴(yán)重。螺栓聯(lián)接受力非常的復(fù)雜，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組各部件聯(lián)接中最容易失效的地方。[8] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由葉片、輪轂、主軸、機(jī)艙和塔筒等組成，為了加工和運(yùn)輸方便，塔筒一般由3到4段圓柱筒或者錐形桶通過(guò)法蘭聯(lián)接而成。風(fēng)輪葉片的受力情況是非常的復(fù)雜的，一般可以分為風(fēng)壓力和離心力。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行環(huán)境中湍流、陣風(fēng)、偏航氣流以及塔影效應(yīng)等惡劣運(yùn)行風(fēng)況，使葉片承受變化很快的波動(dòng)載荷或持續(xù)時(shí)間較短的極限載荷。風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)分析作為風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)之一，開始在大功率風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的校核與優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)揮著El益重要的作用。2009年風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)排名前五的企業(yè)為丹麥VESTAS、美國(guó)GE WIND、中國(guó)華銳、德國(guó)ENERCON、中國(guó)金風(fēng)，%市場(chǎng)份額。盡管中國(guó)已經(jīng)有一套比較健全的風(fēng)機(jī)制造供應(yīng)鏈，包括幾乎所有主要部件的制造生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施，但是中國(guó)某些關(guān)鍵零部件還依賴進(jìn)口，同時(shí)中國(guó)也缺乏完善的輔助服務(wù)體系，例如認(rèn)證機(jī)構(gòu)、基礎(chǔ)研發(fā)。中國(guó)的風(fēng)機(jī)設(shè)備產(chǎn)能迅速增長(zhǎng)，其產(chǎn)業(yè)集中度進(jìn)一步提高。2010年10月12日，華銳風(fēng)電科技集團(tuán)股份有限公司正式宣布，由其自主研發(fā)、并擁有全球自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的5兆瓦風(fēng)電機(jī)組正式出產(chǎn)，這是我國(guó)首臺(tái)5兆瓦風(fēng)電機(jī)組。[5]2010年國(guó)家能源委員會(huì)成立，把能源發(fā)展戰(zhàn)略決策納入國(guó)務(wù)院層面進(jìn)行考量，《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，使風(fēng)力發(fā)電的整體創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)發(fā)展達(dá)到世界領(lǐng)先水平；《可再生能源法》（修正案）于2010年4月1日開始實(shí)施，使風(fēng)力發(fā)電在產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)與技術(shù)支持、推廣與應(yīng)用、政策與經(jīng)濟(jì)激勵(lì)的具體操作上有法可依，風(fēng)電從此步入理性發(fā)展階段。[5]2010年中國(guó)風(fēng)電的主要大事：風(fēng)電實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電量較大增長(zhǎng)，國(guó)網(wǎng)轄區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)到2826萬(wàn)千瓦；海上風(fēng)電項(xiàng)目開始起航，東海大橋風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組全部并網(wǎng)發(fā)電；單機(jī)容量不斷增大，華銳5兆瓦風(fēng)電機(jī)組正式出產(chǎn)等。到2009年底，全國(guó)風(fēng)電建設(shè)總?cè)萘繛?268萬(wàn)千瓦，已并網(wǎng)運(yùn)行容量為1767萬(wàn)千瓦，總吊裝容量達(dá)到2412萬(wàn)千瓦。%，單機(jī)容量逐步增大已成為國(guó)際風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。丹麥RASIO實(shí)驗(yàn)室主要致力于風(fēng)能領(lǐng)域中的風(fēng)力發(fā)電氣象學(xué)，空氣動(dòng)力學(xué)模型，優(yōu)化和降低成本，風(fēng)力發(fā)電能源系統(tǒng)，新的概念，部件和材料及海上風(fēng)力發(fā)電的研究與開發(fā)。[7]在全球排名前列的風(fēng)機(jī)制造商中，德國(guó)的企業(yè)不容忽視，他們以其精良的制造技術(shù)在世界市場(chǎng)上占有一席之地，德國(guó)的ENERCON是目前德國(guó)最后的風(fēng)機(jī)制造企業(yè)，市場(chǎng)主要在德國(guó)本土，占市場(chǎng)份額60%。美國(guó)GE ，都具有變速變槳距運(yùn)行的特征，配置獨(dú)特的電子控制裝置，不僅能夠用于陸上風(fēng)電場(chǎng)，還能用于海上風(fēng)電場(chǎng)。丹麥VESTAS的風(fēng)機(jī)遍布中國(guó)13個(gè)省區(qū)，并依托天津生產(chǎn)基地，攜2兆瓦，3兆瓦風(fēng)機(jī)進(jìn)軍中國(guó)海上風(fēng)電市場(chǎng)。2009年風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)排名前五的企業(yè)為丹麥VESTAS、美國(guó)GE WIND、中國(guó)華銳、德國(guó)ENERCON、中國(guó)金風(fēng)，%市場(chǎng)份額。有人把風(fēng)電的發(fā)展規(guī)劃為3步曲，陸上風(fēng)電技術(shù)（當(dāng)前技術(shù)）一近海風(fēng)電技術(shù)（正研發(fā)技術(shù)）一海上風(fēng)電技術(shù)（未來(lái)發(fā)展方向）。海上風(fēng)力資源條件優(yōu)于陸地，陸地適于安裝風(fēng)電機(jī)組的場(chǎng)址有限，以及在陸地安裝風(fēng)電機(jī)組對(duì)景觀造成影響，產(chǎn)生的噪音可能影響周圍的居民。迄今為止，世界上已有82個(gè)國(guó)家在積極開發(fā)和應(yīng)用風(fēng)能資源。近年來(lái)，在歐洲大力發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的國(guó)家還有法國(guó)、英國(guó)、葡萄牙、丹麥、荷蘭、奧地利、瑞典、愛爾蘭。2010年新增裝機(jī)容量相當(dāng)于430TWh年發(fā)電量，%，總量超過(guò)世界第六大經(jīng)濟(jì)體——英國(guó) [3] 。2005年以來(lái)，%，%。綜上所述，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是明智之舉，發(fā)展好風(fēng)電將為人類創(chuàng)造更好的生活環(huán)境，為人類留下更多的資源。風(fēng)能是一種無(wú)污染的可再生能源，根據(jù)世界氣象的組織的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，我們可以清楚的知道世界總風(fēng)能大約有3X1017KW，而能夠被開發(fā)的風(fēng)能為2X1010KW，可見開發(fā)、利用風(fēng)能資源，代替石油，煤炭等不可再生能是非常有效的手段。s accuracy, reliability.Based on the plexity of leaf root load, root and leaf bolt connection in the actual operation of the process failed, On the wind power generator leaf connecting bolt failure classification, The blade root bolt fracture Characteristic Analysis and information analysis and research, In the understanding of the causes of the failure of foundation bolt, Mention to design a small taper type high strength bolt, in order to reduce the threaded engagement of the first thread root stress concentration, improve the reliability of the cou