压电板壳风力机叶片设计与振动控制研究

发布时间：2020-10-13 22:32

　　 风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视,叶片是风力机中最关键的部件之一,占到整机成本的20%左右,风力机叶片在载荷作用下的振动破坏是风力机常见故障,本文在综述国内外风力发电及风力机叶片发展的基础上,分析了风力机叶片载荷的形式及大小,针对叶片振动保护的现状,提出了将压电材料嵌入到叶片复合材料内部以构成智能风力机叶片的思想,并根据叶片气动和强度理论,分析翼型气动性能和强度参数,完成了智能叶片的结构设计；基于扁壳理论,将设计的智能叶片等效为压电壳体进行有限元建模并分析；同时将壳体有限元分析结果与商用有限元软件的结果进行对比,验证所建模型的准确性；引入自适应滤波思想,设计智能叶片振动主动控制系统；最后,搭建简单实验系统,对振动控制的效果进行实验验证,完成的主要研究工作和成果总结如下： 1)介绍了当前国内外风能利用的现状以及叶片结构、材料和设计情况,对风力机叶片建模和振动主动控制理论的研究进展进行了综述,介绍了压电智能材料及其在振动主动控制中的应用、国内外的研究情况。指出现有研究的不足,引出风力机叶片振动主动控制的必要性。 2)智能复合材料叶片载荷分析：探讨风力机叶片载荷的形式,根据风力机叶片在不同风载作用下,研究不同设计工况的结构载荷及气动流体计算方法,并确定极限载荷发生的工况,开展了载荷模拟仿真计算研究及极端湍流风模型工况下的极限载荷统计规律,并结合模拟仿真结果进行分析。 3)智能复合材料叶片结构设计：根据设定的风轮设计功率、启动风速等设计参数及叶片翼型的力学性能分析等来确定叶片气动参数。基于坐标变换方法和复合材料设计思想,得到了叶片三维建模的通用方法,结合压电材料结构特点,研究叶片主梁、蒙皮等承载结构刚度、强度的设计条件,由风力机叶片的安装形式将叶片等效为悬臂梁结构,通过叶片的构造分析,采用梁的刚度理论,研究复合材料叶片的强度设计方法；依据叶片沿展向等强度条件,研究基于叶片位移变形约束的刚度协调设计方法和准则；以1.5MW风力机为例,设计了压电板壳式风力机叶片,并进行三维建模,为压电板壳式风力机叶片进一步分析研究打下基础。 4)压电板壳式风力机叶片结构强度建模：翼型壳体本身是空间扭曲的,极不规则,将叶片看做两部分矩形扁壳的组合,推导了扁壳压电与弹性力学耦合方程,基于H-R(Hellinger-Reissner)变分原理、剪切变形理论和哈密顿(Hamilton)原理,推导并建立了压电板壳式复合材料叶片结构的机-电耦合动力学模型。 5)将压电板壳式机-电耦合动力学模型在Matlab软件中进行有限元分析,得出了模型在控制电压施加前后叶片各方向位移、转角的变化情况,同时,针对设计的压电智能复合材料叶片,利用ALgor软件对压电材料施加电场,在400v电压作用下,对智能叶片上的位移、应力和应变的大小变化进行分析,确定压电材料用于风力机叶片的振动控制效果,为对动态载荷进行对比分析,在ANSYS中通过命令流编程,分析在风载作用下,控制电压对叶片振动的抑制情况。结果表明：施加控制电压前,叶片在受到阵风或随机风作用后,振动缓慢衰减,当给叶片中压电材料施加控制电压后,在压电材料的逆压电效应下,压电材料对叶片作用一个电场力,在此力的作用下,叶片衰减迅速,在极端风速情况下能极大的提高风力机叶片的气动弹性稳定性。 6)智能叶片振动主动控制研究：搭建了智能叶片振动主动控制系统总体结构,将风力机叶片等效为压电悬臂梁,实现LMS算法,设计参数可调的ⅡR滤波器,由自适应滤波器对结构振动情况实时检测并滤除干扰信号后输入控制器,根据振动情况,由控制器发出控制指令给驱动器以驱动压电纤维动作,实时改变叶片刚度等结构动力学参数,实现主动控制,并设计了简单实验系统进行了验证。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TK83
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
目录
插图清单
表格清单
第一章 绪论
    1.1 风力发电简介
    1.2 风力机叶片
        1.2.1 叶片的结构与材料
        1.2.2 压电智能复合材料在叶片振动控制中的应用
    1.3 压电智能复合材料叶片振动控制研究现状
        1.3.1 国外研究现状
        1.3.2 国内研究现状
    1.4 项目背景、意义与来源
    1.5 本文主要内容
    1.6 本章小结
第二章 风力机叶片载荷分析
    2.1 引言
    2.2 风力机结构及叶片
    2.3 导致叶片气动弹性问题的原因
        2.3.1 水平轴风力机的动力学特性
        2.3.2 风力机叶片的颤振
    2.4 载荷解析
        2.4.1 风电场的风况及数学模型
        2.4.2 气动力引起的载荷
        2.4.3 动量-叶素理论
        2.4.4 设计参数调整
        2.4.5 重力引起的荷载
        2.4.6 离心力引起的载荷
    2.5 叶片载荷分析
        2.5.1 稳态荷载
        2.5.2 动态载荷分析
    2.6 本章小结
第三章 压电板壳式复合材料叶片设计
    3.1 引言
    3.2 风力机叶片翼型参数
    3.3 葛劳涡(Glauert)优化设计
    3.4 压电板壳式复合材料叶片结构设计
    3.5 基于梁理论(Beam Theory)的叶片参数
        3.5.1 主要结构参数计算
        3.5.2 压电纤维结构铺设
    3.6 风力机叶片设计实例
        3.6.1 设计流程及各参数选择
        3.6.2 智能夹层结构风力机叶片建模
    3.7 本章小结
第四章 压电板壳叶片机-电耦合系统动力学建模
    4.1 引言
    4.2 壳理论及假设
    4.3 扁壳的基本方程
        4.3.1 几何方程
        4.3.2 物理方程
        4.3.3 平衡方程
    4.4 压电材料的弹性关系
        4.4.1 压电应力、应变
        4.4.2 压电应力、应变系数
        4.4.3 应力-应变本构常数
    4.5 压电本构方程
        4.5.1 坐标关系
        4.5.2 本构方程及坐标变换
        4.5.3 内力与弯矩方程
    4.6 合成力及力矩
    4.7 基于哈密顿(Hamilton)原理的压电板壳动力学方程
        4.7.1 板壳结构的哈密顿(Hamilton)变分
        4.7.2 系统动力学方程
    4.8 本章小结
第五章 压电板壳叶片有限元分析
    5.1 引言
    5.2 任意形状壳体有限元法
    5.3 壳体结构有限元分析
        5.3.1 位移模式和形函数的构造
        5.3.2 壳单元中应力—应变关系
        5.3.3 考虑横向剪切变形的曲面壳体单元
        5.3.4 应力、应变计算
        5.3.5 单元刚度矩阵
        5.3.6 单元等效结点载荷矩阵
    5.4 单元的有限元动力方程
    5.5 Algor软件中有限元分析
    5.6 两种分析结果对比
    5.7 本章小结
第六章 叶片压电智能结构振动主动控制
    6.1 引言
    6.2 总体方案设计
    6.3 自适应滤波器设计
    6.4 无限脉冲响应(ⅡR)滤波器(Digital Filter)设计
    6.5 自适应算法---最小均方算法(LMS)实现
    6.6 压电智能悬臂梁的主动振动控制
        6.6.1 状态空间(State Space)的动力学建模
        6.6.2 压电作动器分析
        6.6.3 压电智能悬臂梁状态空间方程
    6.7 线性二次型最优控制器
        6.7.1 压电智能悬臂梁主动振动控制仿真
        6.7.2 压电悬臂板梁压电片位置优化
    6.8 本章小结
第七章 悬臂梁压电振动控制实验
    7.1 引言
    7.2 实验方案
    7.3 压电力—电压特性实验
        7.3.1 力—电压实验系统
        7.3.2 力—速度实验过程与方法
        7.3.3 实验数据处理与结果
    7.4 自适应振动控制实验
    7.5 本章小结
第八章 总结与展望
    8.1 全文总结
    8.2 主要创新点
    8.3 展望
参考文献
附录部分压电壳体有限元分析Mat I ab程序
攻读博士学位期间的学术活动及成果情况

【参考文献】

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本文编号：2839780