《面向振动主动控制的智能风力机叶片结构设计与建模分析》

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叶片是风机的关键部件之一,在载荷作用下叶片的振动破坏是风机常见故障。该项目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机叶片的方法,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分析;同时将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,搭建了实验系统,对振动控制的效果进行实验验证。该项目的主要研究工作和科学发现点总结如下:

1)智能复合材料叶片载荷分析:根据叶片风载的不同,研究不同工况下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。

2)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,开发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。

3)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,将叶片看作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,基于变分原理、剪切变形理论和哈密顿原理,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,并开展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。

4)针对设计的压电智能复合材料叶片,利用软件对压电材料施加电场,在电压作用下,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。此外,在ANSYSY中分析了动态风载作用下,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。

5)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,实现算法,设计参数可调的滤波器,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,并设计了实验系统进行了验证。

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