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基于柔性多体系统的大型风力机动力学特性研究与仿生机理探索

作　者: 张鑫
导　师: 刘旺玉
学　校: 华南理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 柔性多体系统风力机结构动力学仿生设计
分类号: TK83
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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引　用: 3次
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内容摘要

风能的利用对于改善能源结构具有深远意义。近年来,兆瓦级风力机成为发展的主流,大型水平轴风力机是一个复杂的柔性多体系统,系统之间的耦合作用较为显著,良好的动力学特性对于风力机稳定运行很重要。作为直接的捕风机构,叶片尺寸的大型化使得其柔性不断增强,合理的整机动态性能设计能够增强风机的抗台风性能,拓宽高风速下运行的可靠性。本文在对风力机系统动力学理论研究的基础上,采用有限元分析和实验结合的方法,针对单叶片和风力机整机多体系统的动力学特性进行了研究,结果表明:叶片正常工作时的动力刚化因素对叶片自然频率的影响较小,叶片在额定转速范围内不会发生共振,通过单向层铺层角度的改变能够显著的调整叶片的固有频率,非定常风的激励使得叶片振动产生与叶片铺层结构相关的交变应力;对塔架自然频率调谐方法和系统耦合频率的研究结果表明:相对于壁厚和截面惯性矩,塔架的高径比能够显著的改变自身的柔度和一阶弯曲频率,这对塔架的动力学设计具有指导意义,风轮塔架系统的耦合频率与塔架的柔度成正比;在阵风载荷激励下,对风力机多体系统的瞬态响应进行了计算,结果表明:风力机三叶片和塔架各处的位移、速度和加速度响应呈现周期性交变,风轮和塔架联接轴的刚度会对叶片轮毂和塔顶附近的动态响应产生较大影响。同时,根据风力机多体系统和沿海一类棕榈科植物工作环境应力的相似性,结合仿生学方法对植物树干进行了样本测量和材料的拉伸试验,获得了树干截面直径的几何分级和结构材料的分级特征;并与塔架有限元模型进行了静动力学性能对比,结果表明:相对于塔架,棕榈树干具有良好的柔性,从而能够减少外载荷引起的应力损伤和提高对环境的自适应性,这对于柔性风力机的仿生设计和抗台风设计具有重要的借鉴意义。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-18
  1.1 引言  11
  1.2 国内外研究现状  11-16
    1.2.1 风力机多体动力学特性  12-13
    1.2.2 风力机系统耦合与建模  13-14
    1.2.3 沿海一类植物系统抗风机理  14-16
  1.3 论文的来源及研究意义  16-17
    1.3.1 课题的来源  16
    1.3.2 论文研究意义  16-17
  1.4 论文的主要研究内容  17-18
第二章风力机结构动力学理论  18-26
  2.1 柔性多体动力学概述  18-19
    2.1.1 柔性多体动力学的应用背景  18
    2.1.2 大型水平轴风力机多体系统  18-19
  2.2 叶片与塔架的动力学方程  19-22
    2.2.1 叶片固有频率和振型计算  19-21
    2.2.2 风诱发的塔架动力响应  21-22
  2.3 风轮-塔架耦合振动方程  22-25
    2.3.1 传动系统动力模型  22-24
    2.3.2 风轮-塔架耦合振动方程  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章叶片的动态性能分析与实验研究  26-41
  3.1 叶片有限元模型  26-27
    3.1.1 叶片参数  26
    3.1.2 叶片模型  26-27
  3.2 叶片动力刚化特性  27-33
    3.2.1 附加刚度  27-28
    3.2.2 刚化模态频率  28-32
    3.2.3 叶片的坎贝尔图  32-33
  3.3 叶片固有频率调整方法  33-35
    3.3.1 叶片的刚度  33
    3.3.2 纤维铺层与频率  33-35
  3.4 叶片气弹振动响应实验  35-40
    3.4.1 振动与交变应力  36-37
    3.4.2 叶片动态实验平台  37-39
    3.4.3 风激励叶片动应力响应  39-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章风力机多体系统动力特性研究  41-59
  4.1 风力机多体系统建模  41-43
    4.1.1 风轮与塔架建模  41-42
    4.1.2 机舱传动系统建模  42-43
  4.2 风场模型与阻尼系数  43-45
    4.2.1 风压与风速分布  43-44
    4.2.2 气动及结构阻尼  44-45
  4.3 风轮塔架系统振动特性研究  45-52
    4.3.1 塔架自然频率调谐的方法  45-49
    4.3.2 风轮塔架系统的频率控制  49-52
  4.4 风激励下系统的动态响应分析  52-57
    4.4.1 阵风载荷谱  52-53
    4.4.2 叶尖与塔架动力响应  53-57
  4.5 本章小结  57-59
第五章风力机结构仿生机理探索  59-71
  5.1 风载荷与环境演化  59-61
    5.1.1 风力机结构仿生  59-60
    5.1.2 植物系统抗风原理  60-61
  5.2 几何分级模式  61-62
    5.2.1 棕榈树干几何特征  61-62
    5.2.2 截面结构与材料特征  62
  5.3 材料试验与数值模拟  62-69
    5.3.1 材料拉伸试验  62-64
    5.3.2 静动态数值模拟  64-69
  5.4 柔性风力机的仿生机理  69-70
  5.5 本章小结  70-71
结论与展望  71-73
参考文献  73-77
附录  77-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84-85
致谢  85

基于柔性多体系统的大型风力机动力学特性研究与仿生机理探索

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