CN112307637A - 一种对风力机叶片进行模态分析的方法 - Google Patents

一种对风力机叶片进行模态分析的方法 Download PDF

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李孟琳
夏鸿建
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Abstract

本申请公开的一种对风力机叶片进行模态分析的方法，该方法包括根据刚柔体、力元和关节组成的混合多体系统，进行叶片的动力学建模；根据所述动力学建模模型，计算各刚体间不同运动方向下的弹簧刚度；将所述各刚体间不同运动方向的弹簧刚度带入到所述动力学模型所对应的弹簧中，计算出叶片的各阶固有频率和振型；根据所述叶片的各阶固有频率和振型，驱动风力机的每个叶片运行在非共振区。本申请通过对叶片进行模态分析，使设计者能够通过各种手段使风力机叶片运行在非共振区，从而避免叶片因产生结构共振而损坏，有效的提高了风力机叶片的使用寿命，减少了维护成本。

Description

一种对风力机叶片进行模态分析的方法
技术领域
本申请涉及模态分析技术领域，尤其涉及一种对风力机叶片进行模态分析的方法。
背景技术
随着风力发电向着更大功率的方向发展，风力机叶片也变得更大、更长，这就对其设计技术提出了较高要求。对于大型叶片稳定性，叶片刚度是其分析的主要问题。在叶片旋转过程中，受到气动力、弹性力和结构力的相互耦合作用，很容易引起柔性叶片的振动，因此分析风力机叶片的动力学问题尤为重要。
目前学术界已对风力机叶片的动力学问题进行可大量研究，例如，文献“D-P.Molennaar and Sjoerd Dijkstra.Modeling the structural dynamics of theLagerwey LW-50/750windturbine”中提出了运用超级单元的建模方法对叶片进行研究，该研究方案中将叶片结构划分成若干个超级单元，且每个单元中间部分由扭转弹簧和阻尼器连接的4个刚体组成，但在计算弹簧刚度时，其仅推导了弯曲方向的弹簧刚度计算公式而忽略了扭转方向的弹簧刚度推导计算。又例如，周传捷等《风力机柔性叶片的混合多体模型研究》提出了将一个柔性叶片划分成一定数量的超级单元，但是，其忽略了扭转模态，每个单元仅有三个刚体通过弹簧和阻尼器连接，因此只计算了叶片的前四阶挥舞、摆振模态固有频率和描述振型，而没有计算扭转模态的固有频率和描述振型。因此，基于现有的方法在对风力机叶片进行模态分析时，存在分析数据不全面的问题。
申请内容
本申请提供了一种对风力机叶片进行模态分析的方法，用于解决现有的方法在对风力机叶片进行模态分析时，存在分析数据不全面的技术问题。
有鉴于此，本申请提供了一种对风力机叶片进行模态分析的方法，包括以下步骤：
根据刚柔体、力元和关节组成的混合多体系统，进行叶片的动力学建模；
根据所述动力学建模模型，计算各刚体间不同运动方向下的弹簧刚度；所述运动方向包括扭转、挥舞和摆振；
将所述各刚体间不同运动方向的弹簧刚度带入到所述动力学模型所对应的弹簧中，计算出叶片的各阶固有频率和振型；
根据所述叶片的各阶固有频率和振型，驱动风力机的每个叶片运行在非共振区。
优选的，所述根据刚柔体、力元和关节组成的混合多体系统，进行叶片的动力学建模，包括：
在叶根与大地之间施加一扭转铰，模拟风力机叶片在风轮旋转平面内的旋转运动；
将叶片离散为m个超级单元，且每个超级单元内包括4个刚体；其中，刚体间采用球铰-旋转铰-球铰的顺序连接方式连为一体；m大于等于1；
在各刚体约束部位之间施加弹性部件以及用于提供运动阻力的阻力部件来约束刚体间的受力。
优选的，所述刚体间采用球铰-旋转铰-球铰的顺序连接方式连为一体，包括：
每个超级单元的首端相邻刚体之间、以及末端相邻刚体之间通过球铰连接方式连接在一起，进而约束刚体间扭转、挥舞和摆振三个方向的运动；
叶片的中间相邻刚体之间通过旋转铰连接方式连接在一起，进而约束刚体间扭转方向的运动。
优选的，所述弹性部件包括弹簧；
所述阻力部件包括阻尼器。
优选的，所述根据所述动力学建模模型，计算各刚体间不同运动方向的弹簧刚度，包括：
在每个超级单元中进行刚体间扭转受力的建模，其中，每两个相邻刚体之间依次采用第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3相连接，且，位于首端及末端的刚体之间施加第四扭转弹簧力元Cx4相连接；
由所述刚体间扭转受力的建模模型，采用分段积分的方法计算各超级单元中第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3分别对应的扭转弹簧刚度：
Figure BDA0002765282560000031
其中，L为两横截面之间的距离，G为剪切模量，Ix为扭转运动方向下的截面惯性矩，Ctors为所述第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3分别对应的扭转弹簧刚度系数。
优选的，所述采用分段积分的方法计算各超级单元中第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3分别对应的扭转弹簧刚度，包括：
依次选取中间相邻刚体截面间距转子中心原点am位置处的抗扭刚度值、单元首截面距转子中心原点a0位置处的抗扭刚度值，以及首端相邻刚体截面间距转子中心原点al位置处的抗扭刚度值，对上述选取的多项抗扭刚度值进行二次插值得到一二次拟合曲线l1；
选取点a0、点am以及它们之间各位置处已知的抗扭刚度值，进行一次线性插值得到一次线性分段插值曲线l2；
选取点am处的抗扭刚度值，以及点a0位置处的抗扭刚度值，进行一次插值得到一一次拟合曲线l3；
分别在第一连续区间[a0,am]、第二连续区间[am,an]以及第三连续区间[an,ap]下进行曲线l1、l2和l3的绘制及对比，且在每个连续区间下，找到最接近给定真实抗扭刚度值的第一曲线，并计算所述第一曲线对应的函数关系表达式；其中，an是各超级单元内第三个刚体与第四个刚体间的截面与转子中心原点之间的距离，ap是各超级单元尾截面与转子中心原点之间的距离；
将所得的各项函数关系表达式代入扭转弹簧刚度计算公式中，进行扭转弹簧刚度的计算。
优选的，所述将所得的各项函数关系代入扭转弹簧刚度计算公式中，进行扭转弹簧刚度的计算，包括：
在第一连续区间[a0,am]下，通过下述公式计算首端相邻刚体之间的扭转弹簧刚度：
Figure BDA0002765282560000041
其中，f1(x)、f2(x)...、fm(x)分别为第一连续区间[a0,am]下的首端分段区间[a0,a1]至末端分段区间[ak-1,am]下最接近给定真实抗扭刚度值的那组曲线对应的函数表达式；L是各超级单元对应的总长度；
在第二连续区间[am,an]下，通过下述公式计算中间相邻刚体之间的扭转弹簧刚度：
Figure BDA0002765282560000042
其中，k为分割系数；fm+1(x)、fm+2(x)...、fn(x)分别为第二连续区间[am,an]下的首端分段区间[am,am+1]至末端分段区间[an-1,an]下最接近给定真实抗扭刚度值的那组曲线对应的函数表达式；
在第三连续区间[an,ap]下，通过下述公式计算末端相邻刚体之间的扭转弹簧刚度：
Figure BDA0002765282560000043
其中，fn+1(x)、fn+2(x)...、fp(x)分别为第三连续区间[an,ap]下的首端分段区间[an,an+1]至末端分段区间[ap-1,ap]下最接近给定真实抗扭刚度值的那组曲线对应的函数表达式；
根据所述首端相邻刚体、中间相邻刚体和末端相邻刚体之间的扭转弹簧刚度，通过下述公式计算位于首端及末端的刚体之间扭转弹簧刚度：
Figure BDA0002765282560000044
其中，a0,a1,a2...ap为各超级单元中各已知截面抗扭刚度所对应的横坐标上各点位置以及相邻刚体各截面对应的横坐标位置。
优选的，采用下述各项公式进行对应超级单元下各刚体间的挥舞弹簧刚度以及摆振弹簧刚度的计算：
Figure BDA0002765282560000045
Figure BDA0002765282560000051
Figure BDA0002765282560000052
Figure BDA0002765282560000053
其中，Cy1是首端相邻刚体间的挥舞弹簧刚度，Cy2是首端及末端刚体间的挥舞弹簧刚度，Cy3是末端相邻刚体间的挥舞弹簧刚度；Cz1是首端相邻刚体间的摆振弹簧刚度，Cz2是首端及末端刚体间的摆振弹簧刚度，Cz3是末端相邻刚体间的摆振弹簧刚度；E为弹性模量，Iy为挥舞运动方向下的截面惯性矩，Iz为摆振运动方向下的截面惯性矩；L是各超级单元对应的总长度；k为分割系数。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请中提供了一种对风力机叶片进行模态分析的方法，该方法包括根据刚柔体、力元和关节组成的混合多体系统，进行叶片的动力学建模；根据所述动力学建模模型，计算各刚体间不同运动方向下的弹簧刚度；所述运动方向包括扭转、挥舞和摆振；将所述各刚体间不同运动方向的弹簧刚度带入到所述动力学模型所对应的弹簧中，计算出叶片的各阶固有频率和振型；根据所述叶片的各阶固有频率和振型，驱动风力机的每个叶片运行在非共振区。本申请一方面将原有刚体间用万向节约束改为球铰约束，以及利用了四个扭转刚度模拟刚体间的扭转受力，有效的对各刚体的运行方向进行准确且全面的描述；本申请另一方面采了用分段积分的方法计算来各超级单元中第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3分别对应的扭转弹簧刚度，将得到的对应的扭转弹簧刚度与各截面的真实抗扭刚度值进行拟合分析，使插值得到的结果更加精确，从而保证了计算结果的准确度。
附图说明
图1为本申请一种对风力机叶片进行模态分析的方法的一个实施例的流程图；
图2为本申请一种对风力机叶片进行模态分析的方法的另一个实施例的流程图；
图3为本申请一种对风力机叶片进行模态分析的方法的另一个实施例的流程图；
图4为本申请一种对风力机叶片进行模态分析的方法的另一个实施例的流程图；
图5为超级单元内的刚体连接结构图；
图6为扭转受力的建模模型结构图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参考图1，其为本申请一种对风力机叶片进行模态分析的方法的一个实施例的流程图，包括以下步骤：
步骤S100，根据刚柔体、力元和关节组成的混合多体系统，进行叶片的动力学建模；
具体的，在进行叶片的动力学建模的时候，具体参考以下实施步骤(可参考图2中的步骤)：
步骤S110，在叶根与大地之间施加一扭转铰，来模拟风力机叶片在风轮旋转平面内的旋转运动；
其中，扭转铰用于约束两刚体之间的相对运动，使两刚体在空间x-y-z坐标系中只能绕着某一个坐标轴旋转运动。
步骤S120，将叶片离散为m个超级单元，且，每个超级单元内包括4个刚体；其中，刚体间采用球铰-旋转铰-球铰的顺序连接方式连为一体；m大于等于1；
每个超级单元内的刚体连接结构图可参考图5，其中，B1为位于首端的刚体，B2和B3为位于中间部位的刚体，B4为位于末端的刚体。在其中一个实施例中，每个超级单元内的刚体间采用球铰-旋转铰-球铰的顺序连接方式，具体的连接方式为：
每个超级单元的首端相邻刚体即B1和B2之间、以及末端相邻刚体之间即B3和B4之间通过球铰连接方式连接在一起，进而约束刚体间扭转、挥舞和摆振三个方向的运动；如刚体B1和B2之间，以及B3和B4之间由原来的万向节连接换成了现在的球铰连接，这样做的好处是增加了刚体间在轴向扭转变形的描述能力。
叶片的中间相邻刚体之间即B2和B3通过旋转铰连接方式连接在一起，进而约束刚体间扭转方向的运动。
其中，球铰用于约束两刚体之间的相对运动，使得两刚体在空间x-y-z坐标系中可以绕着某一个坐标轴旋转运动或绕着其他两个坐标轴方向弯曲运动。
需要说明的是，图5中X、Y、Z指的是坐标轴的方向，该图中，X表扭转方向，Y表挥舞方向，Z表摆振方向。另外，该图中示意的参数q1指的是大地与叶片之间的旋转运动，该图中示意的参数q2指的是刚体1与刚体2之间的挥舞方向运动，该图中示意的参数q3指的是刚体1与刚体2之间的摆振方向运动，该图中示意的参数q4指的是刚体1与刚体2之间的扭转方向运动，该图中示意的参数q5指的是刚体2与刚体3之间的扭转方向运动，该图中示意的参数q6指的是刚体3与刚体4之间的挥舞方向运动，该图中示意的参数q7指的是刚体3与刚体4之间的摆振方向运动，该图中示意的参数q8指的是刚体3与刚体4之间的扭转方向运动。
步骤S130，在各刚体约束部位之间施加弹性部件以及用于提供运动阻力的阻力部件来约束刚体间的受力。
具体的，弹性部件可采用弹簧，阻力部件可采用阻尼器，在其中一个实施例中，可以考虑同时在各约束之间施加扭转弹簧来模拟刚体B1与B2、B2与B3、B3与B4、B1与B4间的受力。同理，对于超级单元2、超级单元3和超级单元4，它们内部的4个刚体之间的建模方法与上述所描述的完全一样。
步骤S200，根据动力学建模模型，计算各刚体间不同运动方向下的弹簧刚度；所述运动方向包括扭转、挥舞和摆振。
具体的，计算各刚体间不同运动方向下的弹簧刚度的实施过程可参考图3，包括：
步骤S210，在每个超级单元中进行刚体间扭转受力的建模，其中，每两个相邻刚体之间依次采用第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3相连接，且，位于首端及末端的刚体之间施加第四扭转弹簧力元Cx4相连接；
其中，扭转受力的建模模型可参考图6，需要说明的是，在推导扭转方向(x方向)弹簧刚度时，叶片的力学模型等效为一悬臂梁，叶根部分固结在轮毂上，绕转子中心旋转。如图6所示，在相邻刚体之间均采用扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3相连接，同时在首位刚体之间再施加一扭转弹簧力元Cx4相连接，通过上述的连接方式，来联合描述刚体间的扭转受力情况。图6中，示意的参数q1指的是刚体1与刚体2之间的扭转方向运动，示意的参数q2指的是刚体2与刚体3之间的扭转方向运动，示意的参数q3指的是刚体3和刚体4之间的扭转方向运动。
步骤S220，由刚体间扭转受力的建模模型，采用分段积分的方法计算各超级单元中第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3分别对应的扭转弹簧刚度：
Figure BDA0002765282560000081
其中，L为两横截面之间的距离，G为剪切模量，Ix为扭转运动方向下的截面惯性矩，Ctors为所述第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3分别对应的扭转弹簧刚度系数。
具体的，采用分段积分的方法计算各超级单元中第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3分别对应的扭转弹簧刚度的实施过程可参考图4，包括：
步骤S2210，依次选取中间相邻刚体截面间距转子中心原点am位置处的抗扭刚度值、单元首截面距转子中心原点a0位置处的抗扭刚度值，以及首端相邻刚体截面间距转子中心原点al位置处的抗扭刚度值，对上述选取的多项抗扭刚度值进行二次插值得到一二次拟合曲线l1；
步骤S2220，选取点a0、点am以及它们之间各位置处已知的抗扭刚度值，进行一次线性插值得到一次线性分段插值曲线l2；
步骤S2230，选取点am处的抗扭刚度值，以及点a0位置处的抗扭刚度值，进行一次插值得到一一次拟合曲线l3；
步骤S2240，分别在第一连续区间[a0,am]、第二连续区间[am,an]以及第三连续区间[an,ap]下进行曲线l1、l2和l3的绘制及对比，且，在每个连续区间下，找到最接近给定真实抗扭刚度值的第一曲线，并计算所述第一曲线对应的函数关系表达式；其中，an是各超级单元内第三个刚体与第四个刚体间的截面与转子中心原点之间的距离，ap是各超级单元尾截面与转子中心原点之间的距离；
步骤S2250，将所得的各项函数关系表达式代入扭转弹簧刚度计算公式中，进行扭转弹簧刚度的计算。
其中，具体包括以下实施步骤：
步骤S2251，在第一连续区间[a0,am]下，通过下述公式计算首端相邻刚体之间的扭转弹簧刚度：
Figure BDA0002765282560000091
其中，f1(x)、f2(x)...、fm(x)分别为第一连续区间[a0,am]下的首端分段区间[a0,a1]至末端分段区间[ak-1,am]下最接近给定真实抗扭刚度值的那组曲线对应的函数表达式；L是各超级单元对应的总长度；
步骤S2252，在第二连续区间[am,an]下，通过下述公式计算中间相邻刚体之间的扭转弹簧刚度：
Figure BDA0002765282560000092
其中，k为分割系数；fm+1(x)、fm+2(x)...、fn(x)分别为第二连续区间[am,an]下的首端分段区间[am,am+1]至末端分段区间[an-1,an]下最接近给定真实抗扭刚度值的那组曲线对应的函数表达式；
步骤S2253，在第三连续区间[an,ap]下，通过下述公式计算末端相邻刚体之间的扭转弹簧刚度：
Figure BDA0002765282560000093
其中，fn+1(x)、fn+2(x)...、fp(x)分别为第三连续区间[an,ap]下的首端分段区间[an,an+1]至末端分段区间[ap-1,ap]下最接近给定真实抗扭刚度值的那组曲线对应的函数表达式；
步骤S2254，根据首端相邻刚体、中间相邻刚体和末端相邻刚体之间的扭转弹簧刚度，通过下述公式计算位于首端及末端的刚体之间扭转弹簧刚度：
Figure BDA0002765282560000101
其中，a0,a1,a2...ap为各超级单元中各已知截面抗扭刚度所对应的横坐标上各点位置以及相邻刚体各截面对应的横坐标位置。
步骤S300，将各刚体间不同运动方向的弹簧刚度带入到所述动力学模型所对应的弹簧中，计算出叶片的各阶固有频率和振型。
在其中一个实施例中，将计算得到的扭转、挥舞、摆振(x,y,z)方向的所有弹簧刚度参数值输入到步骤S100已经建好的动力学模型中，计算出叶片的各阶固有频率和振型。将本申请计算得到的结果与基于有限元算法的计算结果，以及参考文献Definition ofa5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development(美国可再生能源实验室(NREL))进行了前三阶的计算结果的比较，三者对比结果如下表1所示(“——”表示数据未提供)：
表1计算结果对比
Figure BDA0002765282560000102
Figure BDA0002765282560000111
对比表1中的计算结果可以直观地看出，基于原始动力学建模方法仿真计算结果进行的模态分析方法，与本申请的方法计算出的前五阶固有频率相差不大、基本相同，这是因为前五阶振型主要为挥舞和摆振运动，采用的是相同的动力学建模方法。而到了第六阶频率下，基于原始动力学建模方法进行的模态分析方法的仿真计算结果显示为4.4225，而本申请的仿真计算结果与有限元的计算结果基本一致，根据固有频率的计算公式知道，在其它条件均相同的情况下，计算固有频率偏小是由于刚度不足引起的，这同时说明了，现有的动力学建模进行的模态分析方法在一个超级单元中采用一个扭转弹簧模拟存在运动描述不足，扭转刚度不足的问题，这也进一步反映了本申请的动力学建模方法更合理、准确、客观以及可靠。本申请中将叶片离散为四个超级单元，其中共包含了13个刚体以及28个自由度，因此对应有28个固有频率以及28阶模态振型，这里没有一一列举和描述。
步骤S400，根据所述叶片的各阶固有频率和振型，驱动风力机的每个叶片运行在非共振区。
需要说明的是，在使得风力机叶片运行在非共振区时，可以有效的避免叶片因产生结构共振而发生损坏，提高了叶片的使用寿命，减少了设备的维护成本。
具体的，采用下述各项公式进行对应超级单元下各刚体间的挥舞弹簧刚度以及摆振弹簧刚度的计算：
Figure BDA0002765282560000112
Figure BDA0002765282560000121
Figure BDA0002765282560000122
Figure BDA0002765282560000123
其中，Cy1是首端相邻刚体间的挥舞弹簧刚度，Cy2是首端及末端刚体间的挥舞弹簧刚度，Cy3是末端相邻刚体间的挥舞弹簧刚度；Cz1是首端相邻刚体间的摆振弹簧刚度，Cz2是首端及末端刚体间的摆振弹簧刚度，Cz3是末端相邻刚体间的摆振弹簧刚度；E为弹性模量，Iy为挥舞运动方向下的截面惯性矩，Iz为摆振运动方向下的截面惯性矩；L是各超级单元对应的总长度；k为分割系数。
本申请的一种对风力机叶片进行模态分析的方法，将原有刚体间用万向节约束改为球铰约束，以及利用了四个扭转刚度模拟刚体间的扭转受力，有效的对各刚体的运行方向进行准确的描述；本申请了采用分段积分的方法计算各超级单元中第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3分别对应的扭转弹簧刚度，在数值计算问题上做出了较大改进，能更好的与各截面的真实抗扭刚度值相拟合，使插值的结果更加精确，从而保证计算出来的频率更加准确。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种对风力机叶片进行模态分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据刚柔体、力元和关节组成的混合多体系统，进行叶片的动力学建模；
根据所述动力学建模模型，计算各刚体间不同运动方向下的弹簧刚度；所述运动方向包括扭转、挥舞和摆振；
将所述各刚体间不同运动方向的弹簧刚度带入到所述动力学模型所对应的弹簧中，计算出叶片的各阶固有频率和振型；
根据所述叶片的各阶固有频率和振型，驱动风力机的每个叶片运行在非共振区。
2.根据权利要求1所述的对风力机叶片进行模态分析的方法，其特征在于，所述根据刚柔体、力元和关节组成的混合多体系统，进行叶片的动力学建模，包括：
在叶根与大地之间施加一扭转铰，模拟风力机叶片在风轮旋转平面内的旋转运动；
将叶片离散为m个超级单元，且每个超级单元内包括4个刚体；其中，刚体间采用球铰-旋转铰-球铰的顺序连接方式连为一体；m大于等于1；
在各刚体约束部位之间施加弹性部件以及用于提供运动阻力的阻力部件来约束刚体间的受力。
3.根据权利要求2所述的对风力机叶片进行模态分析的方法，其特征在于，所述刚体间采用球铰-旋转铰-球铰的顺序连接方式连为一体，包括：
每个超级单元的首端相邻刚体之间、以及末端相邻刚体之间通过球铰连接方式连接在一起，进而约束刚体间扭转、挥舞和摆振三个方向的运动；
叶片的中间相邻刚体之间通过旋转铰连接方式连接在一起，进而约束刚体间扭转方向的运动。
4.根据权利要求2所述的对风力机叶片进行模态分析的方法，其特征在于，所述弹性部件包括弹簧；
所述阻力部件包括阻尼器。
5.根据权利要求2所述的对风力机叶片进行模态分析的方法，其特征在于，所述根据所述动力学建模模型，计算各刚体间不同运动方向的弹簧刚度，包括：
在每个超级单元中进行刚体间扭转受力的建模，其中，每两个相邻刚体之间依次采用第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3相连接，且，位于首端及末端的刚体之间施加第四扭转弹簧力元Cx4相连接；
由所述刚体间扭转受力的建模模型，采用分段积分的方法计算各超级单元中第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3分别对应的扭转弹簧刚度：
Figure FDA0002765282550000021
其中，L为两横截面之间的距离，G为剪切模量，Ix为扭转运动方向下的截面惯性矩，Ctors为所述第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3分别对应的扭转弹簧刚度系数。
6.根据权利要求5所述的对风力机叶片进行模态分析的方法，其特征在于，所述采用分段积分的方法计算各超级单元中第一、二和三扭转弹簧力元Cx1、Cx2、Cx3分别对应的扭转弹簧刚度，包括：
依次选取中间相邻刚体截面间距转子中心原点am位置处的抗扭刚度值、单元首截面距转子中心原点a0位置处的抗扭刚度值，以及首端相邻刚体截面间距转子中心原点al位置处的抗扭刚度值，对上述选取的多项抗扭刚度值进行二次插值得到一二次拟合曲线l1；
选取点a0、点am以及它们之间各位置处已知的抗扭刚度值，进行一次线性插值得到一次线性分段插值曲线l2；
选取点am处的抗扭刚度值，以及点a0位置处的抗扭刚度值，进行一次插值得到一一次拟合曲线l3；
分别在第一连续区间[a0,am]、第二连续区间[am,an]以及第三连续区间[an,ap]下进行曲线l1、l2和l3的绘制及对比，且，在每个连续区间下，找到最接近给定真实抗扭刚度值的第一曲线，并计算所述第一曲线对应的函数关系表达式；其中，an是各超级单元内第三个刚体与第四个刚体间的截面与转子中心原点之间的距离，ap是各超级单元尾截面与转子中心原点之间的距离；
将所得的各项函数关系表达式代入扭转弹簧刚度计算公式中，进行扭转弹簧刚度的计算。
7.根据权利要求6所述的对风力机叶片进行模态分析的方法，其特征在于，所述将所得的各项函数关系代入扭转弹簧刚度计算公式中，进行扭转弹簧刚度的计算，包括：
在第一连续区间[a0,am]下，通过下述公式计算首端相邻刚体之间的扭转弹簧刚度：
Figure FDA0002765282550000031
其中，f1(x)、f2(x)...、fm(x)分别为第一连续区间[a0,am]下的首端分段区间[a0,a1]至末端分段区间[ak-1,am]下最接近给定真实抗扭刚度值的那组曲线对应的函数表达式；L是各超级单元对应的总长度；
在第二连续区间[am,an]下，通过下述公式计算中间相邻刚体之间的扭转弹簧刚度：
Figure FDA0002765282550000032
其中，k为分割系数；fm+1(x)、fm+2(x)...、fn(x)分别为第二连续区间[am,an]下的首端分段区间[am,am+1]至末端分段区间[an-1,an]下最接近给定真实抗扭刚度值的那组曲线对应的函数表达式；
在第三连续区间[an,ap]下，通过下述公式计算末端相邻刚体之间的扭转弹簧刚度：
Figure FDA0002765282550000033
其中，fn+1(x)、fn+2(x)...、fp(x)分别为第三连续区间[an,ap]下的首端分段区间[an,an+1]至末端分段区间[ap-1,ap]下最接近给定真实抗扭刚度值的那组曲线对应的函数表达式；
根据所述首端相邻刚体、中间相邻刚体和末端相邻刚体之间的扭转弹簧刚度，通过下述公式计算位于首端及末端的刚体之间扭转弹簧刚度：
Figure FDA0002765282550000034
其中，a0,a1,a2...ap为各超级单元中各已知截面抗扭刚度所对应的横坐标上各点位置以及相邻刚体各截面对应的横坐标位置。
8.根据权利要求1所述的对风力机叶片进行模态分析的方法，其特征在于，采用下述各项公式进行对应超级单元下各刚体间的挥舞弹簧刚度以及摆振弹簧刚度的计算：
Figure FDA0002765282550000041
Figure FDA0002765282550000042
Figure FDA0002765282550000043
Figure FDA0002765282550000044
其中，Cy1是位于首端的两个相邻刚体间的挥舞弹簧刚度，Cy2是首端及末端刚体间的挥舞弹簧刚度，Cy3是位于末端的两个相邻刚体间的挥舞弹簧刚度；Cz1是位于首端的两个相邻刚体间的摆振弹簧刚度，Cz2是首端及末端刚体间的摆振弹簧刚度，Cz3是位于末端的两个相邻刚体间的摆振弹簧刚度；E为弹性模量；Iy为挥舞运动方向下的截面惯性矩，Iz为摆振运动方向下的截面惯性矩；L是各超级单元对应的总长度；k为分割系数。
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