风力机叶片气动弹性和颤振主动控制研究进展

文中首先结合国内外研究进展情况概括总结了大型风力机叶片气动弹性等效梁建模理论,以及解决风力机叶片气动弹性稳定性问题的常用方法:BEM方法、动态失速模型和CFD方法.其次,对在现代大型风力机叶片设计中颇受关注的,智能材料在风力机叶片结构颤振及振动主动控制中的应用研究现状也给予了简要的介绍.最后指出一些尚待进一步研究的问题,以及今后的发展方向.     

切削颤振在线监控的研究现状及进展

介绍了国内外切削颤振在线监测与控制的发展现状,分析了现有的颤振监控方法的技术特点和发展趋势,提出了通过基于智能材料主动控制切削系统动态特性来进行颤振在线抑制的新方法。     

基于智能材料主动拆卸的产品设计方法

随着技术的不断进步,产品的更新换代不断加快,废弃产品的回收问题得到越来越多的关注。制约产品回收发展的一个主要因素是产品的拆卸效率低下,成本高昂。智能材料主动拆卸技术(Active disassembly using smart materials, ADSM)就是解决此难题的一种方法。ADSM适用于以塑料为主的产品以及含有可重用零部件的电子电器产品,尤其是用传统拆卸方法难以拆卸或拆卸效率低下,回收成本高昂的小型产品。介绍智能材料主动拆卸的原理及特点,给出基于智能材料主动拆卸的产品设计方法,并提出主动拆卸结构和主动拆卸产品的设计准则。利用这些设计方法和准则对遥控器产品进行重新设计。通过对重新设计后的遥控器进行的主动拆卸试验表明,其拆卸效率明显提高,验证基于智能材料主动拆卸的产品设计方法的可行性与优越性。     

金属切削过程颤振控制技术的研究进展

综述金属加工过程中颤振控制的研究概况和进展。根据颤振发生的原因和特点,把对于颤振的控制策略分为对于机床结构的控制和对于切削过程的控制,对于机床结构的控制又进一步分为被动控制、半主动控制和主动控制,总结归纳了前人的研究成果,梳理当前的研究进展。切削颤振控制技术在理论方面受到的制约仍然存在,一些新的技术和新的材料的出现促进颤振控制研究的快速发展,但同时它们本身的发展还面临的一些亟待突破的问题,对这些问题进行分析。随着智能材料和新的控制理论和思想的发展,除传统的控制方法不断得到改进和发展之外,基于智能材料的各种智能控制技术、时滞控制器,以及针对切削过程的非线性、时变性的模糊控制,神经网络等智能控制算法的应用等一些新的控制方法和趋势逐渐也出现在颤振控制的研究中,对它们的研究状况进行分析和展望。最后对切削颤振控制技术发展的总体状况进行评述。     

SMP主动拆卸结构激发效果影响因素的试验研究

智能材料主动拆卸(ADSM)利用形状记忆材料等智能材料制成的主动拆卸结构在特定条件下激发后使产品连接失效而主动拆解,其中应用最广泛的是由形状记忆高分子材料(SMP)制作的主动拆卸结构。通过试验确定了主动拆卸结构的材料、最大变形量、拆卸时的加热温度和加热方式等因素对SMP主动拆卸结构激发效果即激发时间和主动拆解率的影响,并给出了改善SMP主动拆卸结构激发效果的方法。     

智能结构研究的进展与应用

综合评述了智能结构研究的进展与应用，主要内容包括：智能结构研究二十年的发展；智能结构传感器，致动，主动控制与智能材料集成四大关键技术；以及智能结构在航天，航空工程中的应用。     

压电网壳抗震主动控制振动台试验

运用压电智能材料频响范围宽、响应速度快的特点,设计制作了双向受力压电主动杆件,通过动力特性以及驱动性能测试,得到了压电主动杆件的驱动增益函数和频响特征;基于遗传算法,对网壳结构进行主动控制时主动杆件的数目和布置位置进行了优化设计;运用8个自主研制的压电主动杆件,对一凯威特网壳模型进行了主动控制振动台试验,对压电主动杆件采取循环开/关闭合驱动的方法,实现了对结构的多点最优控制,并使结构的竖向及水平加速度和位移均得到了良好的控制.结构的模态频率最大抑制达到14％,模态阻尼比最大提高了2.2.     

压电材料在振动控制领域的研究进展与应用现状

结合振动主动控制和被动控制原理,综述了应用于振动控制领域的单层压电陶瓷、多层叠堆压电陶瓷、压电纤维复合材料、0-3型压电复合材料等4种压电智能材料,重点介绍了其结构特点、制备工艺,以及在机械制造、航空航天和船舶航运等领域减振应用的研究进展,指出了压电材料的未来研究方向。     

磁流变恒张力控制传动装置设计研究

利用新型智能材料磁流变液的优良特性,提出一种适合于张力控制的新型传动装置,它的输出转矩可以通过调节电流精确控制。设计了该传动装置的基本结构,建立输出转矩的理论模型,并且用ANSYS有限元分析软件对新型磁流变恒张力控制传动装置内外环工作间隙进行仿真。     

基于ANSYS的某发动机叶片的振动模态分析

用ANSYS软件对某发动机叶片的振动特性进行了分析。建立了该发动机叶片的实体模型和有限元模型,计算出了叶片的固有频率、振型。说明了用ANSYS软件在对发动机叶片的振动特性分析上是一种先进方法,为叶片的进一步研究提供了可靠的基础。     

基于改进的粒子群算法的风力机叶片优化设计

基于有限叶片变环量气动计算模型,加入攻角随风速的变化处理,根据风电场中来流速度的概率分布,并以风力机最大年发电量为目标,建立优化模型,使用改进的粒子群算法进行搜索,寻找全局最优解.采用改进的粒子群算法设计的优化程序,设计了1.3 MW定桨失速型风力机叶片,并与现有的风力机叶片作比较.优化后,风力机叶片的弦长明显减小,达到额定风速后的功率输出情况,也满足了定桨失速型风力机的功率控制要求,说明本文所述的优化设计方法的有效性和实用性.     

小型风力发电机叶片设计与制造的研究

叶片是风力发电机(简称风机)的关键部件,为了制造出优良的小型风机叶片,对小型风机叶片的设计、材料的选择以及模具制造进行了研究。根据当地风能资源的情况,风机的设计功率为300W。首先设计出风轮的基本尺寸,选择NACA4412翼型,经过计算和分析,确定叶片剖面翼型和具体尺寸;其次根据风机叶片的受力情况及其他要求,选择玻璃纤维增强复合材料制作叶片;然后运用CAD和CAM技术,设计了一套小型风机玻璃钢复合材料的叶片并制作了模具。为风机玻璃钢叶片进一步实现规模化生产奠定了良好的基础。     

Integrated aero-structural optimization design of pre-bend wind turbine blades

In the optimization design of a pre-bend wind turbine blade, there is a coupling relationship between blade aerodynamic shape and structural layup. The evaluation index of a wind turbine blade not only shows on conventional ones, such as Annual energy production (AEP), cost, and quality, but also includes the size of the loads on the hub or tower. Hence, the design of pre-bend wind turbine blades is a true multi-objective engineering task. To make the integrative optimization design of the pre-bend blade, new methods for the blade’s pre-bend profile design and structural analysis for the blade sections were presented, under dangerous working conditions, and considering the fundamental control characteristics of the wind turbine, an integrated aerodynamic-structural design technique for pre-bend blades was developed based on the Multi-objective particle swarm optimization algorithm (MOPSO). By using the optimization method, a three-dimensional Pareto-optimal set, which can satisfy different matching requirements from overall design of a wind turbine, was obtained. The most suitable solution was chosen from the Pareto-optimal set and compared with the original 1.5 MW blade. The results show that the optimized blade have better performance in every aspect, which verifies the feasibility of this new method for the design of pre-bend wind turbine blades.

     

兆瓦级风力发电机组耦合振动仿真分析

风力发电机组在自然条件下运行时,作用在叶片上的空气动力载荷、重力载荷、惯性载荷等交变载荷将使叶片和塔架产生耦合振动。为了得到其在额定工况下各阶模态振型,判断系统运行的稳定性,以沈阳工业大学SUT-1000风力发电机组为例,对其进行动力学分析。将叶片和塔架进行离散化处理,在叶片上模拟施加气动载荷,应用MSC ADAMS进行仿真分析,得到了系统的各阶模态。分析结果对风力发电机组的总体优化设计提供了理论依据。     

极端高温下风力机叶片的性能分析

随着我国的气候的变化,初步探讨极端天气下风力机叶片的性能变化对提高风力机的可靠性具有一定的指导意义。选取750kW风力机叶片为研究对象,叶片材料选用碳纤维,在ANASYS Workbench中模拟极端高温下风力机叶片性能的变化。研究结果表明:碳纤维叶片极端高温下的等效应力、等效应变和位移和8月份平均最高温度下的相比分别增加了175%、180.7%和125.6%。这一结论将使在以后的叶片设计和生产中,积极考虑极端高温因素的影响。     

三叶片直线翼垂直轴风力机非定常流场速度分析

垂直轴风力机在回转过程中,叶片尾流的相互干涉和叶片攻角变化,使垂直轴风力机周围流场异常复杂。为探明直线翼垂直轴风力机在二维流场中速度分布及风力机叶片迎风角度变化关系,在风洞试验中采用激光多普勒测速仪(Laser Doppler velocimetry,LDV)技术,对所设计的三叶片直线翼垂直轴风力机流场风速进行试验研究,获得了该风力机叶片周围流场的速度分布情况。在建立直线翼垂直轴风力机在不同转速下叶片迎风角度变化的数学模型基础上,应用仿真软件对被测风力机流场进行分析计算。通过数学模型得知,来流风速夹角随回转角的变化情况可用正弦函数近似表示, 并且随着叶尖速比的增大逐渐减小。风洞试验和CFD结果表明,风力机在回转过程中,叶片前缘场域有乱流生成,并且该域风速值偏大;而在叶片旋转内部以及下流区域内会形成一个宽大的低速区域,并且伴随叶尖速比的增加,低速区域具有扩大趋势。     

双层翼叶片几何参数对水平轴风力机气动性能影响研究

为了提高风力机的气动性能，基于NREL Phase Ⅵ水平轴风力机叶片，设计出的一种双层翼叶片。通过计算流体力学的方法，在不同来流风速下，对比分析了双层翼叶片与按比例缩放各叶高处弦长的NREL Phase Ⅵ水平轴风力机叶片的扭矩与弯矩，研究了叶片实度的影响，发现实度增加并不是双层翼叶片的气动性能优于原始NREL Phase Ⅵ风力机叶片的主要原因。对不同弦长比、垂直距离及水平距离的大小叶片所组成的双层翼结构进行数值模拟研究，利用流线图着重分析了大小叶片水平距离对风力机气动性能的影响，总结了气动性能随双层翼叶片几何参数的变化规律，发现在15 m/s至25 m/s的风速下，选择较大弦长比、较大垂直距离或者较小水平距离的双层翼叶片可得到较高的扭矩值，但弯矩值也会随之增加。     

大功率风力机叶片模态及气动特性分析

对大功率海上风力机叶片模态特性和气动特性进行研究。建立了叶片翼型截面弯扭耦合运动微分方程,通过翼型截面坐标变换和旋转拉伸在UG中建立了国产某型6MW风力机叶片三维模型,运用Ansys/Blocklanczos法计算了叶片前6阶固有模态。在Ansys/Workbench中搭建叶片流场仿真模型,讨论了风速和气动攻角等参数对叶片振动变形的影响。结果表明各阶固有模态中叶尖部位的振型相对明显,随着风速和攻角增大,相同截面位置上的叶片振动变形逐渐增大。     

Design optimization of a wind turbine blade to reduce the fluctuating unsteady aerodynamic load in turbulent wind

Design optimization of the wind turbine of a NREL 1.5-MW HAWT blade was studied to minimize the fluctuation of the bending moment of the blade in turbulent wind. In order to analyze the unsteady aerodynamic load of a wind turbine, FAST code was used as the analysis code. To consider turbulent wind as the wind input model in FAST, TurbSim was used as a turbulent wind simulator. For effective geometrical representation of the aerodynamic shape of a wind turbine blade, the shape modeling function was used to represent the chord length and twist angle. The fluctuation of the out-of-plane bending moment at the blade root was minimized by maintaining the required power of the wind turbine. Through the redistribution of the section force in the radial direction between both the primary and tip regions, the magnitude of the fluctuation of the out-of-plane bending moment was reduced by about 20%, and the rated power of 1.5-MW was maintained. The local angles of attack for the optimized blade were near the point of the maximum lift-to-drag ratio in the primary and tip regions compared to the baseline blade. The fluctuating unsteady aerodynamic load in the optimized blade was reduced within the operating range of the wind speed. With the optimized blade shape, the wind turbine can be operated with decreased fluctuating aerodynamic loads and have a longer life in turbulent wind.     

垂直轴风力发电机叶片气动性能研究

性能优越的垂直轴风力发电机正越来越受到关注。优良的风叶是使垂直风力发电机获得最大风能利用系数和良好经济效益的基础。垂直风力发电机叶型的气动性能研究是当前叶片设计的重要内容。利用ANSYS FLUENT12.0对NACA4412、FX76MP12、DU86-137-25以及C型四种不同叶片的气动性能进行了仿真和分析,得出C型叶片相对其他三种叶片有着更好的气动性能,能为垂直风力发电机叶片的设计起到指导作用。