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

发布时间：2020-05-21 04:03

【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。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK83

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本文编号：2673706