基于6-UCU并联机构的波浪直线发电机建模及性能分析

针对波浪运动的多方向传播特性,为提升波浪能俘获及转换效率,提出了一种基于6-UCU六自由度并联机构的波能直线发电装置.其中,动平台与浮筒相连实现波浪能的俘获功能,6条支链由具有相同动、定子参数的电磁式直线发电机构成,实现波能转换能量传递(Power Take Off,PTO)功能.基于微幅波理论和F-K(Froude-Krylov,弗汝德-克雷洛夫)假定法计算装置所受到的波浪力.采用ADAMS和MAXWELL相结合的方法,构建直线发电机的电磁场有限元仿真模型,通过最小二乘法拟合动定子的相对运动速度变化规律,并对直线发电机的能量转换及发电性能进行分析,讨论发电机支链动子上永磁体间距对发电机性能的影响规律.通过计算,所设计装置的波能转换效率可达33.37％.研究结果为多方向波浪能量转换装置的设计提供了一定的理论依据.     

基于含有冗余支链3-RPS/3-SPS并联机构的波浪能转换装置优化设计

提出了一种含有冗余支链的3-RPS/3-SPS并联机构,基于该机构设计了一种新型的海浪发电装置。对波浪中发电装置的浮子进行运动学建模,得到耦合运动方程并采用切片理论方法确定了方程中的水动力系数。通过分析浮子能量采集效率与浮子尺寸的关系,确定浮子直径为6 m时波浪能采集效率较高。建立了3-RPS/3-SPS机构支链与末端的速度映射关系,通过对液压缸的受力分析,推导出液压缸等效黏性阻尼系数,进而建立了修正的浮子运动方程,该方法同样适用于其他采用并联机构的海浪发电装置。定义了波能装置的有效工作空间评价指标、全域运动学性能评价指标及输出功率指标,绘制了各项指标在结构参数上的分布情况,基于性能评价指标对波能装置进行多目标结构参数优选,确定了一组综合性能较优的几何参数。优选结果表明：波能装置中机构几何参数R=5 m,r=2 m时,工作空间体积、运动学性能及输出功率等性能均有不同程度提升。该研究为海浪发电装置的设计和应用提供了理论基础。     

四浮子振荡扑翼波浪能发电装置设计与研究

为了实现波浪能的高效采集与稳定的电能输出，提出一种浮子半径为2.5 m的四浮子振荡扑翼波浪能发电装置的设计方案。基于多腔油缸液压转换系统，创成一种多腔油缸液压转换与合并系统，确定了系统的组成及工作原理，以及采集机构、液压转换与合并系统各元件参数。运用AQWA仿真扑翼角位移响应，AMESim搭建采集机构、多腔油缸液压转换与合并和电能变换与储能系统仿真模型，搭建仿振荡扑翼波浪能发电装置试验平台，模拟规则波浪进行试验与仿真研究。研究结果表明：在三、四级波浪作用下，四浮子振荡扑翼波浪能发电系统能够稳定工作，其蓄电池组平均输入功率分别为46.5 kW与56.5 kW,总容量为300 Ah的蓄电池组分别需要1.42 h与1.17 h充满；试验验证了四浮子振荡扑翼波浪能发电装置发电原理的合理性和可行性，研究成果为阵列式波浪能发电装置的开发与研究奠定了理论基础。     

软管式波浪能转换装置

正1一种海面软管式波浪能转换装置图1为一种海面软管式波浪能转换装置。软管1内充满海水,该软管的一端与换能装置5相连,另一端与管帽2相连,换能装置5及管帽2都由锚缆7与海底相连接,锚缆7不仅防止海面软管式波浪能转换装置被波浪冲走,主要是要保证海面软管式波浪能转换装置在海面下的布置方向与波浪行进方向一致。沿软管长度方向均布了若干个浮子4,浮子4浸泡在海面下的部分是空心的且开有进水口,以使软管1内始     

振荡扑翼波浪能采集机构设计与研究

为了改善波浪能采集装置的能量输出和转换效率问题,借鉴鸟类翅膀运动形式,设计一种基于振荡浮式的扑翼式波浪能采集机构.通过机构优化方法,以提高转换效率为目标,以所处海况中存在的约束条件,对采集机构中的关键参数进行了设计.根据海浪与振荡系统作用理论,建立出波浪与机构之间耦合运动方程和能量采集转换数学模型.通过水动力学仿真软件AQWA,以3种典型波况作为输入,分析了采集机构在波浪作用下的运动响应和能量转换性能;验证了所优化设计采集机构的可行性,并发现此机构更加适合在中高级海况下进行波浪能的采集转换.     

二自由度波能转换装置动力学建模

基于二自由度惯性摆工作原理,提出了一种可实现海洋机器人能量自给的波能转换装置。该机械装置可将波浪运动分解,经过一种改进的单向离合器,可将两个自由度上的往复摆动分别转化为正反向转动,扭转卷簧蓄能。对该机械装置进行简化,应用Lagrange方程建立动力学模型。利用四阶龙格-库塔算法进行算例分析,得到两个自由度上摆角的变化规律,并且通过比较获得了可以对装置优化的参数和条件,对进一步研究该波能转换装置的动态特性、机构优化设计、效率分析和系统控制具有非常重要的意义。     

碟形弹簧负刚度在低频精密隔振中的应用研究

负刚度机构可用于系统的低频隔振,本文设计了一种新型的利用碟形弹簧负刚度的低频被动垂直隔振系统。碟形弹簧具有非线性变形特性,并且在一定条件下,碟形弹簧具有负刚度的特性。将碟形弹簧在负刚度区间与正刚度弹簧并联,通过合理选择参数,使得隔振系统的刚度在平衡点附近趋向于零,隔振系统的固有频率可以达到极低,从而使其隔振频带加宽,可实现低频隔振的目的。通过计算机仿真计算,证明并联机构具有良好的低频隔振效果。     

基于遗传算法的3-PCR减振平台等效刚度设计

基于3-PCR并联机构,通过在主动副处添加弹簧阻尼装置构建并联减振平台,推导了3-PCR机构的运动学方程并对其工作空间进行了分析。选择该减振平台上下平台半径、杆长以及杆与下平台夹角作为设计变量,研究了上述4参数对最大球形工作空间的影响规律。引入等效刚度的概念,采用遗传算法对上述参数进行了优化设计,以期得到满足特定等效刚度要求的减振平台,该平台在微幅振动下其等效刚度值接近恒定。工程应用中减振平台的等效刚度均可使用该设计方法予以实现,为基于并联机构的减振平台设计提供了一种新方法。     

半主动升沉补偿系统的非线性建模与仿真

为验证液压缸非线性力对半主动升沉补偿系统的影响,设计了一种半主动升沉补偿系统的非线性模型,并提出了提高系统补偿效率的方法。首先建立液压缸受到的非线性摩擦力和非线性弹簧力的仿真模型,然后将非线性力的影响加入到被动和半主动升沉补偿仿真模型中,最后提出了增大液压缸和蓄能器之间的油管直径的方法以提高半主动升沉系统补偿效率。仿真结果表明:在峰值为6 m,周期为10 s的规则正弦波浪作为船舶升沉位移输入时,非线性摩擦力会使被动和半主动升沉补偿系统的补偿效率降低,而非线性弹簧力对系统的影响较小,可以忽略不计。提出的方法能有效提高半主动升沉补偿系统补偿效率。     

振荡扑翼波浪能发电装置系统建模与仿真

为了实现波浪能的采集与高效转换,提出一种振荡扑翼波浪能发电装置,通过采集机构、液压转换系统和电能变换及储能系统将随机波浪能转换为稳定的电能。基于扑翼与波浪耦合受力分析,设计波浪能采集机构方案;为了能量高效转换和保证液压系统稳定性,创成一种含多腔液压缸的液压转换系统;根据储能单元的额定电能需求,进行电能变换及储能系统方案设计与元件参数计算;基于多能域键合图理论和AMESim仿真软件,建立包括机-液-电的整体虚拟样机仿真模型;搭建仿振荡扑翼波浪能发电装置试验平台,模拟规则波浪进行试验,验证系统的有效性。研究结果表明,在三级海况和四级海况下振荡扑翼波浪能发电装置发电效率分别可以达到61.5%和66.2%,能够有效采集波浪能,实现电能的稳定输出并储存到蓄电池中。试验结果证明了振荡扑翼波浪能发电装置工作原理和参数设计的合理性。研究结果为波浪能发电装置的设计与开发提供了理论基础与参考。     

相关光子符合计数的实现及修正

为了实现利用非线性晶体自发参量下转换(SPDC)产生的相关光子测量光电探测器量子效率,对相关光子符合计数装置的设计及符合计数方法的系统修正进行了研究.介绍了SPDC相关光子的产生机理以及利用其进行光电探测器量子效率测量的原理.设计了两种不同的符合计数装置,"门控双通道光子符合计数装置"和"基于TAC/MCA的符合计数装...     

按照性能指标进行机构优化设计

提出了一个根据给定相关性能(如精度和工作空间),设计6自由度并联机构的可靠方法。该方法采用了区间分析理论及其算法,不仅可以分析末端执行件定位精度的测量误差,也能够得到设计参数的取值区间。只要并联机构的几何参数满足这些求得的设计参数区间,该并联机构必然达到相关的性能要求。利用本文的算法,应用于一个6自由度的并联机构设计。本文通过对该并联机构搜索空间的分析,比较了设计参数和阈值对计算结果和效率的影响。     

Workbench中常见振荡浮子的水动力虚拟实验研究

浮子是振荡波能发电装置的关键部分之一,影响着能级的转化效率。利用ANSYS有限元软件Hydrodynamic Diffraction模块建立了圆柱型浮子和圆锥型浮子的有限元模型,通过改变其吃水深度,分析Z方向上的激励力,判断其较优尺寸;利用两者优化后模型构建陀螺型浮子有限元模型,并进行水动力分析。研究利用ANSYS有限元软件Hydrodynamic Diffraction模块验证了陀螺型浮子的优越性,证实了此模块在水动力分析中的可靠性和为实现振荡波能发电装置的小型化密集化提供了理论依据。     

一种新型六维海浪发电装置的设计与分析

设计了一种新型的六自由度的海浪发电装置,通过在水平和竖直空间里面布置6个并联的液压杆机构,实现将浮子随海浪的运动转化为液压缸的伸缩运动,进而实现机构吸收任何方向的海浪能。我们研究了海浪与发电装置之间的动态特性,进行了运动学和动力学的仿真。     

基于波浪能的海洋浮标发电系统

波浪能是一种新型的清洁能源,近几年提出多种对波浪能进行开发的方案,但大多都是在波浪和发电机之间加入转化装置,这样效率低,成本高。为简化波能转化装置,提高波浪能的利用率,降低波能转化装置的成本,设计一套基于波浪能的海洋浮标发电系统,可以直接将波浪能转化为电能。详细叙述海洋浮标发电系统方案设计;并对海洋浮标进行运动建模和参数推导分析;基于Matlab对发电机在不同海况下进行仿真,得到空载电压波形,根据波形理论分析出影响发电机性能的主要因素为波高和频率。理论分析及仿真结果可以指导导磁结构的圆筒型直线发电机的理论研究,并为基于波浪能的海洋浮标发电系统的工程应用提供依据。     

空间对称弹簧支链Stewart机构多维隔振特性

为解决不平顺路况运行车辆及随机波浪中船体的多维振动问题,介绍了一种空间对称弹簧支链的Stewart六自由度并联隔振机构,主要针对该类机构的隔振性能进行研究。首先建立了机构的3维模型,采用动力学逆解方法推导了机构的加速度二阶影响系数矩阵。基于多自由度动力学系统传递函数模型推导了模态参与因子,利用ADAMS/Vibration模块进行机构仿真模态分析,获得隔振平台输出加速度的模态参与因子及其主要模态振型与对应峰值。在0.1-1000Hz频域段内对该模型进行受迫振动分析,获得机构隔振平台位移时域及加速度频响曲线,基于功率流传递函数模型对其隔振性能进行评价。研究结果表明:含空间对称弹簧支链的Stewart并联机构在较宽的频段内具有显著的多维隔振效果,能够实现微幅低频振动的隔离。     

新型棘轮止逆波能收集装置建模及数值分析

针对现有波浪能收集装置结构复杂、可靠性低及转化效率低等瓶颈问题,设计出一种新型棘轮止逆波能收集装置,该装置能够全周期可靠高效地利用海浪发电。建立了以海浪特性为外部激励的系统动力学非线性方程,推导了考虑发电机负载作用的能量转换效率公式。对系统参数进行了敏感性分析并结合某海域典型海浪特性,对浮体关键参数及装置转换效率进行了仿真预测。研究结果表明,选取较差波况条件下,发电机仍具有周期性的转矩输入特性及较高的平均发电效率。     

波浪运动机械模拟器设计与仿真研究

为解决实验室环境下波浪输入信号的产生问题，文中结合线性波理论，提出一套可变频率、变波高的凸轮机械式波浪模拟器的设计方案。依据不同海况的波浪特性，采用不同直径的凸轮用以模拟波高变化。以直流伺服电机变压调速方式模拟波频变化，将所需模拟的波频特性转换为转速信号作为输入，伺服电机经由减速器带动凸轮转动，以凸轮实际转速作为输出，通过检测装置实时测定凸轮转速作为反馈，建立波浪运动机械模拟器转速闭环PID控制系统模型。利用ADAMS与MATLAB仿真软件对波浪运动模拟装置的机械系统与控制系统进行联合仿真，通过整定PID控制参数，解决了变频系统输出超调率过大问题。文中研究为实验室环境下研究振荡扑翼波浪能发电装置试验中波浪模拟输入问题提供了新思路、新方法，给海洋工程装备的开发提供重要依据。     

6自由度含弹簧被动支链的绳牵引并联机构工作空间分析

为分析含弹簧被动支链的绳牵引并联机构工作空间特性，建立机构静力学模型，提出一种能直观反映绳牵引并联机构姿态空间大小的评价指标，以含2根弹簧支链的6索6自由度绳牵引并联机构为例，分析弹簧支链参数对机构工作空间性能和工作空间形状的影响。针对引入弹簧支链后出现的工作空间形状缺陷，建立缺陷部分混合位置因子-范围因子罚函数模型，并通过理想点法与遗传算法结合的方法实现了机构工作空间性能多目标优化。结果表明：通过罚函数法在优化中有效消除了可能出现的机构工作空间形状缺陷；含弹簧支链的绳牵引并联机构优化中选择适当弹簧参数，可以显著提高工作空间体积与动平台转动范围。     

空气弹簧系统建模及其高度控制策略

现有的空气弹簧系统建模复杂,并且在对空气弹簧系统进行高度控制的过程中容易产生振荡,针对这些问题,提出了一种热力学空气弹簧建模方法,以及基于比例积分微分(PID)的空气弹簧高度控制策略.首先,以空气弹簧系统为研究对象,采用了热力学分析方法,建立了以温度、压强为自变量的高精度非线性空气弹簧系统模型;然后,设计了空气弹簧高度...