风电叶片单点疲劳加载过程数值仿真与试验

设计了一套风电叶片单点疲劳加载系统,基于拉格朗日方程建立了振动耦合数学模型,对振动特征规律（叶片振幅、电机电流）分别进行数值仿真。当驱动频率与叶片固有频率偏差较小时,固存的机电耦合现象会导致叶片振幅稳定,若偏差增大,叶片振幅则发生剧烈波动。加载源电流跟随叶片振动产生周期性波动,且转速越大,等负载下的电流相对越大,共振时电流达到最大。建立了一套单点疲劳加载试验系统,对振动过程中的叶片振幅和电流进行测试。试验结果验证了数学模型与仿真模型的准确性,该结论为疲劳加载解耦控制算法的制定提供了理论依据。     

手持式振动机械的同步问题

提出了一种双电机驱动的手持式振动机模型,研究了该振动系统的自同步理论.首先,利用拉格朗日公式,推导出振动系统的运动微分方程;然后,引入两个扰动小参数,对激振器的角速度和相位差进行平均.通过对两激振器的运动方程在平均周期内进行积分平均计算,推导出了系统频率捕获方程.该方法将两激振器的自同步问题转换成了频率捕获方程零解的存在性和稳定性问题,进而推导出了实现频率捕获和两电机稳定同步运行的条件,还提出频率捕获转矩概念来解释两激振器自同步的特性.结果表明,两激振器之间存在一个频率捕获力矩,对两电机同步运行和稳定性有影响.     

电机参数对电动车传动系统扭转振动的影响分析

针对电动车传动系统存在的扭转振动问题,对传动系统的固有特性、电机的转矩特性及振动系统的动态响应进行了分析研究,提出了综合考虑控制电机动态特性和传动系统的机电耦合仿真方法。首先,建立了某集中式驱动电动车动力传动系统的扭转振动数学模型,分析了系统的固有特性,用实验数据验证了模型的准确性;然后,建立了永磁同步电机的矢量控制模型,分析了驱动电机的转矩特性;最后,基于驱动电机和动力传动系统的机电仿真模型,进行了电机参数的灵敏度分析。研究结果表明:在低频时,引入谐波转矩的各电机参数对动力传动系统扭转振动的影响呈正比关系;在中高频时,电机参数对传动系统的影响不成比例。     

风机叶片弦向疲劳加载系统特性分析

针对叶片弦向摆锤共振加载系统,建立系统的弹簧-阻尼模型,利用拉格朗日方程推导出系统的运动微分方程.以摆锤为对象,分析叶片弦向疲劳加载共振能量,对系统进行动力学分析和参数匹配;设计加试验装置,采用虚拟仪器软件实现信号处理及通信控制,PLC(Programmable Logic Controller)对频率搜索跟踪、输出控制,完成疲劳加载系统测试过程.试验结果表明:疲劳加载系统安全可靠,达到了较好的控制效果,为疲劳系统的应用提供了理论依据及试验参考,也为后续的风机叶片疲劳加载试验打下了基础.     

风机叶片旋转疲劳加载系统研究

设计了偏心旋转质量块疲劳加载系统,对风机叶片疲劳加载试验传动系统中关键参数进行了分析及匹配优化,使得系统传动效果最优化。采用激光传感器测距,虚拟仪器开发软件实现信号的采集读取、分析运算、显示存储及通信控制,PLC执行相关程序算法对频率搜索跟踪、输出控制,完成叶片疲劳加载测试过程。试验结果表明:疲劳加载系统具有足够的安全性和可靠性,达到了较好的控制效果,降低了设备成本,为风电叶片检测与分析提供一种的实用手段。     

反向回转双机驱动振动系统的自同步理论

利用异步电动机电压同步坐标系,得出电动机稳态运行时电磁转矩与转速的关系。运用动力学理论分析反向回转双机驱动振动系统的动力学特性,建立系统频率俘获的方程,得到实现频率俘获的条件及俘获频率和两偏心转子相位差的理论计算方程。利用非线性动力学理论,建立了频率俘获的稳定方程。利用Routh-Hurwitz准则获得系统稳定性条件。     

全尺寸风机叶片疲劳加载系统设计及试验研究

为了验证风机叶片在设计使用寿命内能够承受设计规定的疲劳载荷,获得叶片性能参数,设计了一套风机叶片疲劳加载系统。采用模型优化配重块方法减小叶片弯矩分布误差,模糊自整定PID参数进行控制,进行风机叶片全尺寸疲劳试验,完成频率搜索及载荷谱加载测试过程。试验结果表明,系统能以搜索步长为0.01 Hz完成共振频率搜索与跟踪,加载维持峰值变化率在试验要求的误差范围内(5%),叶片根部的弯矩误差不超过±0.4%,检测效率得到提高,降低了设备成本,为风机叶片检测与分析提供了一种实用手段。     

反向回转双机驱动振动系统基于频率俘获的控制研究

建立了反向回转双机驱动振动系统的动力学模型和感应电机的数学模型,运用动力学理论分析了振动系统的动力学特性,得到了反向回转双机驱动振动系统实现频率俘获的条件．根据振动系统的频率俘获条件,分析了对2个2偏心转子相位差的控制策略．分别运行自同步条件下的系统仿真程序和基于振动系统频率俘获条件的相位差控制仿真程序,计算机仿真结果表明对振动系统施加控制后,该系统能够快速实现速度同步和相位同步,验证了控制策略的有效性．     

风机叶片试验台疲劳加载振动干涉研究

风机叶片试验台两侧安装叶片,在进行疲劳试验时,一边叶片振动时会对另一边叶片的振动产生干涉,可能会影响试验效果。对此,研究了模态分析和谐响应分析的基本理论,建立试验台模型和研究用叶片模型,分析了两种叶片和基座的模态,以及各种叶片振动搭配下稳态响应。结果表明,合理地分配两边叶片可以避免叶片的频率干涉;改进筒体的结构可以提高试验台的刚度,降低疲劳加载的频率干涉影响。     

风电叶片疲劳加载装置关键参数研究

风电叶片疲劳加载试验是指在试验室环境下用特定的装置模拟风载对叶片的振动疲劳作用,以此来检验叶片的疲劳寿命.该文以旋转偏心质量块共振(摆锤共振)加载装置为研究对象,介绍加载系统组成、工作原理以及试验步骤,使用共振能量分析的方法研究加载系统中各参数之间的关系以及参数的确定.     

Frequency capture characteristics of vibration system with two degrees of freedom

In this study, the dynamical model of the vibration of the wind power system was established according to the Lagrange’s principle for investigating the phenomenon of frequency capture. The system response of the vibration of wind power device in the horizontal and vertical directions of tower was analyzed by numerical simulation. At the same time, the paper analyzed the characteristics of the vibration model comparing with the traditional model. Then the conditions of frequency capture were studied through the analysis of mathematical model. In particular, the effects that five key parameters had on the frequency capture characteristics were analyzed. Finally, the research reveal that reducing the eccentric mass and eccentricity of the blade, increasing the support stiffness and displacement damping coefficient, and increasing the torque of the input shaft can reduce vibration and avoid the phenomenon of frequency capture. The simulation results provide the theory basis for the design and installation of wind power device.     

基于转矩补偿的风电变桨加载系统的研究及仿真

针对风电变桨加载系统在建模及控制方法上存在的缺陷,对桨叶模拟系统的补偿转矩进行了研究分析,对加载系统中的控制方法进行了改进,提出了一种转矩闭环控制与转矩补偿优化相结合的控制方法.基于Bladed软件对2.5 MW风电机组运行进行了仿真,同时利用该模型模拟现场工况,参与平台控制并进行了加载试验,将平台试验数据与仿真结果进行了比较,两者基本一致.研究结果表明,转矩闭环控制与转矩补偿优化相结合的控制方法能真实反映桨叶在风场的工况,使变桨加载系统的控制达到最优.     

动态气动载荷和构件振动对风力机气弹特性的影响分析

通过建立气弹耦合分析模型,研究叶片、塔架等构件的耦合振动对叶根气弹载荷的影响以及在静、动态气动模型下的叶根和塔底气弹载荷的差异。采用"超级单元"模型,将叶片、塔架和主轴离散为通过转动铰和弹簧、阻尼器连接的刚体系统,以反映这类构件较大的弹性变形和非线性振动。在叶素动量理论(Blade element momentum,BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,以反映气动载荷的动态特性。应用计算多体动力学理论和风力机气动模型,建立受约束的风力机系统气弹耦合方程。算例以某5 MW风力机为研究对象,通过施加不同的约束条件,研究风轮以外其他构件振动对叶根气弹载荷的影响;通过静、动态气动分析模型,考察叶根和塔底气弹载荷的动态耦合效应。分析表明,塔架、主轴等构件的运动会显著影响叶根的气弹载荷;叶片的动态失速特性也对叶根的气弹载荷和疲劳载荷谱有较明显的影响。研究工作对于保证风力机安全稳定运行和疲劳寿命设计有重要的作用。     

Load and dynamic characteristic analysis of wind turbine flexible blades

Aiming at the Megawatt (MW) scale wind turbine, a dynamic analysis and simulation method is presented to research blade loads and dynamic characteristics. To consider blade flexible deformation, the whole blade was divided into a number of units. Each unit was treated as a rigid body, the flexible connection between two adjacent units is considered. A nacelle coordinate system, a rotating shaft coordinate system, and a blade coordinate system were employed to describe the wind turbine blade. In those coordinate systems, blade inertial load calculation model, centrifugal force load calculation model and gravity load calculation model are established. Combining load model with the whole model of wind turbines, the real-time dynamic simulation model of blade loads was established in Simulink circumstance and a numerical simulation was performed. Based on the simulation analysis, some research results were obtained. When the large instantaneous fluctuation of electromagnetic torque of generator happens, rotor speed does not appear to have large fluctuation due to the inertia of the wind rotor, but the blade vibration speed changes obviously. Gravity has a periodic variation in the process of blade rotation and has a large influence on the edgewise moment. The research results provide a helpful reference for the structure design, operation, and control of wind turbines.     

基于设计情形的叶片模态分析

针对某三叶片风扇,建立了叶片的有限元模型。通过对该模型进行模态分析,得到了叶片的固有频率和相应的模态振型,并分析了各阶振型下叶片的振动情况。通过不同的设计情形算例,分析了叶片材料弹性模量、泊松比、质量密度对叶片固有频率的影响。考虑叶片旋转工作状态下离心力会产生预应力的影响,通过加载旋转力矩,求解了多组设计情形的预应力下叶片的固有频率,计算结果表明,叶片的旋转状态会对叶片的振动特性产生影响,离心预应力会使叶片固有频率变大。     

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。     

航空发动机叶片刚柔耦合动力学分析

航空发动机叶片是航空发动机重要零件之一,常常因共振而导致断裂失效。传统航空发动机叶片的振动特性分析普遍基于零次近似耦合动力学模型,该模型忽略了动力刚化项,得到的结果具有一定局限性。为了更加准确地分析高速转动的航空发动机叶片的振动特性,对叶片刚柔耦合动力学问题进行了研究。将叶片简化为柔性薄板,考虑面外变形和面内变形,并计入了面外变形引起的面内变形,即变形耦合项。采用假设模态法描述叶片的变形,运用拉格朗日动力学方程建立了做三维空间大位移运动的柔性叶片一次近似耦合动力学方程。同时采用多体系统动力学软件MSC.ADAMS对旋转叶片的动力学性态进行了研究,并将所得的叶片动力学理论模型结果和ADAMS的结果进行了比较。结果显示一次近似耦合模型理论结果与实际结果相符,而ADAMS和零次近似耦合模型在叶片高转速时仿真结果存在缺陷。基于所得的叶片一次近似耦合模型,对叶片振动频率、“频率转向”和“振型转换”问题进行了分析,验证了所提出的方法的可行性。     

基础运动对漂浮式风电机组齿轮箱传动系统附加激励的影响

风电齿轮箱传动系统是漂浮式风电机组中传递力与运动的关键传动装置,受到频繁的基础运动影响,振动特性复杂。提出一种适用于非惯性坐标系下六自由度基础运动与含公转/自转运动构件六自由度振动位移的耦合建模方法,并利用集中参数法和拉格朗日方程建立了风电齿轮箱传动系统动力学模型,分析了基础运动对构件产生的附加激励以及振动响应影响。研究结果表明：基础运动会对传动系统中构件产生时变的附加参数激励,这些附加激励的特征频率主要以系统自身特征频率与基础运动频率及其倍频的组合频率为主;作用在构件上的附加激励幅值与纵荡、纵摇基础运动幅值及其频率呈现非线性关系,纵荡、纵摇基础运动的幅值越大、频率越高,附加激励中纵荡与纵摇运动之间的耦合效应也愈明显;基础运动会增大构件的径向与轴向振动响应,使其出现与基础运动频率相关的特征频率。     

游梁式抽油机井皮带滑动效率的仿真研究

针对游梁式抽油机皮带传动装置负载扭矩波动大的特点,研究了游梁式抽油机皮带的纵向振动特性、皮带与带轮之间的相对滑动速度以及皮带传动的瞬时滑动效率。将皮带简化为纵向振动的弹性体,建立了皮带在交变摩擦力激励下的纵向振动力学模型与波动方程形式的数学模型;应用振型叠加法建立了皮带纵向振动的数值仿真模型;建立了皮带相对于带轮的瞬时滑动速度、瞬时滑动效率的仿真模型;仿真分析了抽油机曲柄扭矩波动幅值、皮带预紧力对皮带滑动效率的影响。仿真结果表明：抽油机曲柄扭矩波动会降低滑动效率;当抽油机曲柄扭矩存在负扭矩时,皮带滑动效率明显降低;在预紧力能保证皮带传动正常工作的情况下,再增加皮带预紧力会增大皮带的传动效率。
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