風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視,葉片是風力機中最關(guān)鍵的部件之一,占到整機成本的20%左右,風力機葉片在載荷作用下的振動破壞是風力機常見故障,本文在綜述國內(nèi)外風力發(fā)電及風力機葉片發(fā)展的基礎(chǔ)上,分析了風力機葉片載荷的形式及大小,針對葉片振動保護的現(xiàn)狀,提出了將壓電材料嵌入到葉片復合材料內(nèi)部以構(gòu)成智能風力機葉片的思想,并根據(jù)葉片氣動和強度理論,分析翼型氣動性能和強度參數(shù),完成了智能葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計；基于扁殼理論,將設(shè)計的智能葉片等效為壓電殼體進行有限元建模并分析；同時將殼體有限元分析結(jié)果與商用有限元軟件的結(jié)果進行對比,驗證所建模型的準確性；引入自適應濾波思想,設(shè)計智能葉片振動主動控制系統(tǒng)；最后,搭建簡單實驗系統(tǒng),對振動控制的效果進行實驗驗證,完成的主要研究工作和成果總結(jié)如下： 1)介紹了當前國內(nèi)外風能利用的現(xiàn)狀以及葉片結(jié)構(gòu)、材料和設(shè)計情況,對風力機葉片建模和振動主動控制理論的研究進展進行了綜述,介紹了壓電智能材料及其在振動主動控制中的應用、國內(nèi)外的研究情況。指出現(xiàn)有研究的不足,引出風力機葉片振動主動控制的必要性。 2)智能復合材料葉片載荷分析：探討風力機葉片載荷的形式,根據(jù)風力機葉片在不同風載作用下,研究不同設(shè)計工況的結(jié)構(gòu)載荷及氣動流體計算方法,并確定極限載荷發(fā)生的工況,開展了載荷模擬仿真計算研究及極端湍流風模型工況下的極限載荷統(tǒng)計規(guī)律,并結(jié)合模擬仿真結(jié)果進行分析。 3)智能復合材料葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計：根據(jù)設(shè)定的風輪設(shè)計功率、啟動風速等設(shè)計參數(shù)及葉片翼型的力學性能分析等來確定葉片氣動參數(shù)�；谧鴺俗儞Q方法和復合材料設(shè)計思想,得到了葉片三維建模的通用方法,結(jié)合壓電材料結(jié)構(gòu)特點,研究葉片主梁、蒙皮等承載結(jié)構(gòu)剛度、強度的設(shè)計條件,由風力機葉片的安裝形式將葉片等效為懸臂梁結(jié)構(gòu),通過葉片的構(gòu)造分析,采用梁的剛度理論,研究復合材料葉片的強度設(shè)計方法；依據(jù)葉片沿展向等強度條件,研究基于葉片位移變形約束的剛度協(xié)調(diào)設(shè)計方法和準則；以1.5MW風力機為例,設(shè)計了壓電板殼式風力機葉片,并進行三維建模,為壓電板殼式風力機葉片進一步分析研究打下基礎(chǔ)。 4)壓電板殼式風力機葉片結(jié)構(gòu)強度建模：翼型殼體本身是空間扭曲的,極不規(guī)則,將葉片看做兩部分矩形扁殼的組合,推導了扁殼壓電與彈性力學耦合方程,基于H-R(Hellinger-Reissner)變分原理、剪切變形理論和哈密頓(Hamilton)原理,推導并建立了壓電板殼式復合材料葉片結(jié)構(gòu)的機-電耦合動力學模型。 5)將壓電板殼式機-電耦合動力學模型在Matlab軟件中進行有限元分析,得出了模型在控制電壓施加前后葉片各方向位移、轉(zhuǎn)角的變化情況,同時,針對設(shè)計的壓電智能復合材料葉片,利用ALgor軟件對壓電材料施加電場,在400v電壓作用下,對智能葉片上的位移、應力和應變的大小變化進行分析,確定壓電材料用于風力機葉片的振動控制效果,為對動態(tài)載荷進行對比分析,在ANSYS中通過命令流編程,分析在風載作用下,控制電壓對葉片振動的抑制情況。結(jié)果表明：施加控制電壓前,葉片在受到陣風或隨機風作用后,振動緩慢衰減,當給葉片中壓電材料施加控制電壓后,在壓電材料的逆壓電效應下,壓電材料對葉片作用一個電場力,在此力的作用下,葉片衰減迅速,在極端風速情況下能極大的提高風力機葉片的氣動彈性穩(wěn)定性。 6)智能葉片振動主動控制研究：搭建了智能葉片振動主動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),將風力機葉片等效為壓電懸臂梁,實現(xiàn)LMS算法,設(shè)計參數(shù)可調(diào)的ⅡR濾波器,由自適應濾波器對結(jié)構(gòu)振動情況實時檢測并濾除干擾信號后輸入控制器,根據(jù)振動情況,由控制器發(fā)出控制指令給驅(qū)動器以驅(qū)動壓電纖維動作,實時改變?nèi)~片剛度等結(jié)構(gòu)動力學參數(shù),實現(xiàn)主動控制,并設(shè)計了簡單實驗系統(tǒng)進行了驗證。
【學位單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2014
【中圖分類】：TK83
【文章目錄】：
致謝
摘要
ABSTRACT
目錄
插圖清單
表格清單
第一章 緒論
    1.1 風力發(fā)電簡介
    1.2 風力機葉片
        1.2.1 葉片的結(jié)構(gòu)與材料
        1.2.2 壓電智能復合材料在葉片振動控制中的應用
    1.3 壓電智能復合材料葉片振動控制研究現(xiàn)狀
        1.3.1 國外研究現(xiàn)狀
        1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
    1.4 項目背景、意義與來源
    1.5 本文主要內(nèi)容
    1.6 本章小結(jié)
第二章 風力機葉片載荷分析
    2.1 引言
    2.2 風力機結(jié)構(gòu)及葉片
    2.3 導致葉片氣動彈性問題的原因
        2.3.1 水平軸風力機的動力學特性
        2.3.2 風力機葉片的顫振
    2.4 載荷解析
        2.4.1 風電場的風況及數(shù)學模型
        2.4.2 氣動力引起的載荷
        2.4.3 動量-葉素理論
        2.4.4 設(shè)計參數(shù)調(diào)整
        2.4.5 重力引起的荷載
        2.4.6 離心力引起的載荷
    2.5 葉片載荷分析
        2.5.1 穩(wěn)態(tài)荷載
        2.5.2 動態(tài)載荷分析
    2.6 本章小結(jié)
第三章 壓電板殼式復合材料葉片設(shè)計
    3.1 引言
    3.2 風力機葉片翼型參數(shù)
    3.3 葛勞渦(Glauert)優(yōu)化設(shè)計
    3.4 壓電板殼式復合材料葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計
    3.5 基于梁理論(Beam Theory)的葉片參數(shù)
        3.5.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)計算
        3.5.2 壓電纖維結(jié)構(gòu)鋪設(shè)
    3.6 風力機葉片設(shè)計實例
        3.6.1 設(shè)計流程及各參數(shù)選擇
        3.6.2 智能夾層結(jié)構(gòu)風力機葉片建模
    3.7 本章小結(jié)
第四章 壓電板殼葉片機-電耦合系統(tǒng)動力學建模
    4.1 引言
    4.2 殼理論及假設(shè)
    4.3 扁殼的基本方程
        4.3.1 幾何方程
        4.3.2 物理方程
        4.3.3 平衡方程
    4.4 壓電材料的彈性關(guān)系
        4.4.1 壓電應力、應變
        4.4.2 壓電應力、應變系數(shù)
        4.4.3 應力-應變本構(gòu)常數(shù)
    4.5 壓電本構(gòu)方程
        4.5.1 坐標關(guān)系
        4.5.2 本構(gòu)方程及坐標變換
        4.5.3 內(nèi)力與彎矩方程
    4.6 合成力及力矩
    4.7 基于哈密頓(Hamilton)原理的壓電板殼動力學方程
        4.7.1 板殼結(jié)構(gòu)的哈密頓(Hamilton)變分
        4.7.2 系統(tǒng)動力學方程
    4.8 本章小結(jié)
第五章 壓電板殼葉片有限元分析
    5.1 引言
    5.2 任意形狀殼體有限元法
    5.3 殼體結(jié)構(gòu)有限元分析
        5.3.1 位移模式和形函數(shù)的構(gòu)造
        5.3.2 殼單元中應力—應變關(guān)系
        5.3.3 考慮橫向剪切變形的曲面殼體單元
        5.3.4 應力、應變計算
        5.3.5 單元剛度矩陣
        5.3.6 單元等效結(jié)點載荷矩陣
    5.4 單元的有限元動力方程
    5.5 Algor軟件中有限元分析
    5.6 兩種分析結(jié)果對比
    5.7 本章小結(jié)
第六章 葉片壓電智能結(jié)構(gòu)振動主動控制
    6.1 引言
    6.2 總體方案設(shè)計
    6.3 自適應濾波器設(shè)計
    6.4 無限脈沖響應(ⅡR)濾波器(Digital Filter)設(shè)計
    6.5 自適應算法---最小均方算法(LMS)實現(xiàn)
    6.6 壓電智能懸臂梁的主動振動控制
        6.6.1 狀態(tài)空間(State Space)的動力學建模
        6.6.2 壓電作動器分析
        6.6.3 壓電智能懸臂梁狀態(tài)空間方程
    6.7 線性二次型最優(yōu)控制器
        6.7.1 壓電智能懸臂梁主動振動控制仿真
        6.7.2 壓電懸臂板梁壓電片位置優(yōu)化
    6.8 本章小結(jié)
第七章 懸臂梁壓電振動控制實驗
    7.1 引言
    7.2 實驗方案
    7.3 壓電力—電壓特性實驗
        7.3.1 力—電壓實驗系統(tǒng)
        7.3.2 力—速度實驗過程與方法
        7.3.3 實驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果
    7.4 自適應振動控制實驗
    7.5 本章小結(jié)
第八章 總結(jié)與展望
    8.1 全文總結(jié)
    8.2 主要創(chuàng)新點
    8.3 展望
參考文獻
附錄部分壓電殼體有限元分析Mat I ab程序
攻讀博士學位期間的學術(shù)活動及成果情況

【參考文獻】

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