风力机叶片气动载荷的优化研究

为了研究垂直轴风力机的叶片气动性能,利用流固耦合法模拟了垂直轴风力机在实际工况下的气动载荷分析,模拟结果表明,由于翼型后部较薄,受到的变形应力最大。为了避免因叶片变形而引起风力机整体气动性能下降,提出了通过加大翼型后部厚度的方案来提高叶片的强度,并通过数值模拟对改进后的翼型做了气动性能分析,得出了适当的增加翼型后部厚度,并不会对翼型气动性能造成太大的影响,验证了此方案的有效性。这些研究结论为今后垂直轴风力机的设计制造提供了一定的参考依据。     

垂直轴风力机固定装置结构设计

固定装置是垂直轴风力机中的重要部件,主要起支撑作用。设计了一种便于维修的垂直轴风力机固定装置。维修时只需拧下旋转板上的六角螺母,使旋转板相对固定板绕着旋转铰链转动,同时转动支撑机构中的连接块带动支撑杆转动到限位块的位置,实现对塔柱的支撑,不需对风力机主体进行拆卸,提高了维修的便捷性。运用有限元技术对固定装置受力关键零件转轴进行了静力学强度分析,验证了结构设计的合理性。     

基于TMD控制的风力机结构抗震研究

湍流风与地震是导致风力机塔架振动最主要的因素。为研究风-震耦合工况下风力机结构的动力学响应特性及抗震控制,以NREL 5 MW风力机为研究对象,通过Wolf方法建立土-构耦合模型,基于多体动力学仿真开源软件FAST平台二次开发地震载荷计算模块,通过自编译程序在塔顶配置调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),对地震作用下风力机塔架进行结构控制。结果表明:地震载荷极大加剧了塔架侧向振动,激振频率为塔架一阶侧向固有频率;TMD控制时塔架和机舱动力响应明显减小,其中塔顶侧向位移幅值变化范围缩小18%,标准差减小了67%,塔架一阶固有频率处响应幅值大幅降低,高达90%;塔顶侧向加速度变化幅度降低4%,标准差缩小了61%,塔架一阶固有频率处振动峰值降低了88%。结果表明,TMD方法可用于地震等极端环境下风力机的抗震控制,提高风力机运行稳定性。     

极端载荷下风力机耦合动力学分析

在极端载荷作用下,风力机结构会产生振动和变形,影响正常运行,严重时会导致风力机损坏。因此,风力机设计必须考虑其耦合振动稳定性。通过对风力机模型的简化,建立了在极端载荷作用下由叶片、机舱、塔架组成的风力机系统动力学模型和运动方程。利用Matlab/Simulink仿真软件进行振动模拟仿真,仿真数据同实验数据比较,结果表明该模型可以较好的模拟风力机在极端载荷作用下的振动特性,对于提高风力机的总体性能以及风力机的总体设计具有重要的理论价值和实践意义。     

风力机钝尾缘叶片结构设计及其特性研究

风力机的叶片要求具有足够的机械强度和刚度,在取得最大风能利用系数的同时具有最小的质量,同时要求风力机具有充足的安全性和稳定性。讨论了风力机叶片设计的基础理论,基于中国科学院工程热物理研究所研发的100 kW钝尾缘实验叶片的设计参数,对叶片质量、刚度分布以及屈曲稳定性进行了重点研究。最后,通过塔尖间隙计算,分析了叶片运行的安全性。     

新型升阻复合型垂直轴风力机结构设计

在传统H型风力机基础上设计了一种升阻复合型垂直轴风力机,既有升力型垂直轴风力机风能利用率高的优点,又具备阻力型垂直轴风力机启动风速要求小的特点,适用范围广。为使该型风力机接收高位处风能并使两发电组间产生空气涡流相互作用,设计了一种组合型垂直风力发电系统,并对该系统中的塔架进行了失稳和强度分析,以验证该结构的合理性。     

风力机集风装置结构设计和优化

利用三维软件Pro/E设计集风装置的结构和尺寸,然后利用有限元软件A N SY S分析研究风力在集风装置表面的流动特性,研究不同的表面微观结构对流动特性的影响。通过对比分析,修正尺寸及结构,改进表面微观特征,使得集风装置不仅具有较好的强度特性,而且保证风能得到最大的利用率。     

风力机叶片三维建模与压力载荷分析

利用profili软件和solid works建立2.5 MW风力机风轮三维模型,并将三维模型导入CFX中进行模型的流固耦合下流场风轮和叶片变形分析,得到流场域风轮表面压力和叶片表面压力载荷变化的有限元分析结果。结果表明:风轮表面压力迎风面大于背风面,形成压力差使得风轮旋转,背风面压力最大值出现在叶片上边缘区域。额定风速下叶片表面压力非线性分布,中间区域压力值最大,靠近叶片前缘区叶片震荡越大。额定风速和转速下叶片表面压力出现类似线性分布,叶尖到叶根呈现梯度分布状态,最大压力出现在叶尖部位。     

极限载荷作用下风力机叶片跨尺度分析

跨尺度分析是风力机叶片力学性能研究的重要方法,首先对风力机叶片在极限载荷作用下进行有限元分析;然后结合最大正应力准则及桥联模型将叶片的宏观响应传递到细观模型,对叶片进行细观失效分析;最后依据Tsai-Wu失效准则和层合板理论将细观材料强度转换为宏观层合板强度,对叶片进行宏观失效分析。仿真与理论的结果表明：根据该方法可以判断风力机叶片在不同尺度下是否出现失效以及出现的失效形式;同时可以完成跨尺度的材料强度预测,对风力机叶片的失效预测具有重要的工程价值。     

夹芯复合材料风力机叶片的结构设计方法

风力机叶片的结构设计是计算和试验反复验证的过程,计算为试验提供理论基础,试验为计算提供模型参数。为了更好地匹配两者关系,加快合理结构特性叶片的设计过程,提出一种多点加载的夹芯复合材料叶片结构特性测试方法,以获得叶片各截面的结构性能参数,为有限元建模提供准确的参数,同时试验数据可以评定离网型风力机叶片强度,并能利用截面EIj/YAj和Mj/ε曲线分布快速检验风轮叶片结构设计的合理性。以某离网型600W风力机夹芯复合材料叶片进行多点加载测试和有限元模拟,结果证明:试验数据可快速判断叶片的强度要求、危险截面的分布、结构性能的合理性;基于试验参数的夹芯复合材料叶片有限元数值计算结果与试验数据一致,此外,该准确的有限元模型可计算出风机叶片在不同工况下、任意截面处的结构性能参数,提高了计算分析效率。     

气动载荷作用下复合材料风力机叶片结构优化设计

针对复杂构形的复合材料风力机叶片内部结构,采用新设计的2 MW风力机叶片,基于等代设计法对其进行复合材料初始铺层设计;建立完整的叶片有限元参数化模型;基于修正的动量叶素理论,提出一种适用于叶片结构设计与优化的新的流固耦合方法;建立叶片优化数学模型,以叶片质量最小为优化目标,以层合板厚度、主梁位置等作为优化设计变量,采用粒子群算法与有限元法结合的策略对复合材料风力机叶片进行优化设计。优化结果表明,相比初始叶片,优化后的叶片质量有了较大的减少,而且以优化设计方案二(叶片主梁位置可变作为优化设计变量之一)的结果尤为明显。该研究对于风力机叶片结构设计及优化具有重要的指导意义,使风力机翼型、叶片及结构参数化一体化设计成为可能。     

变载荷下风力机齿轮传动系统的动态响应分析

根据风力发电机组在随机风场中变速、变载的工作特点,基于组合风速模型,研究了由随机风速引起的时变载荷(扭矩)。综合考虑了风力机齿轮传动系统的内、外部激励,利用拉格朗日方法推导出其动力学方程,对变载荷下风力机齿轮传动系统的动力学特性进行仿真计算分析,获得了风力机各级齿轮的振动位移和各齿轮副的动态啮合力,为风力机齿轮传动系统的振动特性分析和结构优化设计奠定了基础。     

柔性齿圈载荷分布的研究及结构设计

本文用有限元法研究了行星增速器柔性齿圈的形状与载荷分布的关系，计算了齿圈应力场，从而提供了一种既能保证行星轮各传动件间载荷分配比较均匀，又保证得到齿宽方向为均载的齿圈形状的设计方法。     

基于VMD方法的海上风力机结构TMD抗震

为研究大型单桩式海上风力机结构的TMD振动控制效果,采用实测地震发生时土壤位移时域响应作为地震激励,通过文克尔模型及p-y曲线法构筑的非线性土-构耦合模型模拟土壤中地震释放的能量传递给风力机的过程,以NREL 5 MW大型单桩式海上风力机为研究对象,建立有限元模型,研究TMD对支撑结构在突发地震时的作用及瞬态动力学响应,并采用VMD方法对时域结果进行分析,从不同频带分析TMD对海上风力机的控制效果。结果表明,突发性地震导致塔顶发生大幅剧烈震颤,机舱加速度激增。地震发生时,TMD与风力机塔顶的位移响应形成明显相位差是其实现对风力机在地震发生时被动控制的主要机理,TMD对塔顶位移及机舱加速度响应的高频带分量控制效果更好,保证塔顶诸多重要部件的稳定运行。     

水平轴风力机叶片的结构设计与有限元分析

设计了一种1．5MW水平轴风力机叶片模型,运用ANSYS Workbench对叶片模型添加材料属性、划分网格、施加载荷与约束进行有限元分析。进行了叶片在静止状态和有预应力作用两种工况下的结构模态计算,分析了叶片在被施加极限挥舞栽荷作用下的表面应力分布情况,计算了叶片的最小模态频率和最大应力分布情况。     

受冲击载荷螺母的稳定性结构设计

对螺纹较大时螺母锁紧结构的稳定性进行研究,对已经使用的结构进行分析,提出改进方法。     

无人机轻型光电载荷结构设计方法浅析

轻型光电载荷是挂装无人机或直升机的搜索、探测设备,光电载荷的主要功能是通过光电传感器对目标进行搜索、探测、识别、跟踪,并对它们进行定位,属于被动侦察系统。转塔是轻型光电载荷中的一个重要组成部分,它为光学传感器提供了物理载体,是实现稳定跟踪功能的执行部件。结构设计是在所限定的空间范围内,设计一套结构框架系统来实现功能要求,正确分配机械精度以保证产品的精度;在设计过程中要充分考虑振动、冲击、电磁干扰、腐蚀等机载环境要求。试飞结果表明:轻型光电载荷为地面指挥控制系统提供的探测图像清晰,目标相对于无人机器的位置数据信息准确。     

某无人机功放载荷被动散热结构设计

无人机功放载荷散热结构是机载电子设备结构设计中的难点,本文针对要求散热结构紧凑、重量轻、耗电功率小、传热路径热阻小等需求,利用Solidworks软件建立了功放载荷散热结构三维模型,设计了基于环路热管的传热结构,通过热仿真软件ANSYS Icepak进行了温度仿真,制作样机并进行了测试。结果表明,在环境温度为55℃,无人机飞行高度为3000m,速度为250km/h条件下,散热结构具有2100W的散热能力,满足设计要求。     

某无人机光电载荷挂架总体结构设计

依据航空产品结构设计特点以及光电载荷的安装需求,确定光电载荷挂架的总体结构方案。在分析光电载荷工作机理和工作环境的基础上,对光电挂架进行详细结构设计,并利用Pro/E软件进行三维建模,在ABAQUS软件中建立光电载荷挂架的有限元模型,并对挂架的刚强度特性进行分析,验证了方案的可行性。应用于某型号无人机的试飞结果表明,光电挂架在承受较大载荷下变形量较小,且有一定的减振作用。     

核级气体过滤减压阀结构设计与抗震分析研究

核电站配备的气体过滤减压阀在地震工况下需要保持其功能与结构完整性。首先对过滤减压阀阀体结构及工作原理进行了分析;之后建立了气体过滤减压阀的三维模型,借助Femap有限元软件完成了模态分析,确定其第1阶频率大于截断频率33 Hz后,使用等效静力法完成了气体过滤减压阀的抗震分析;最后根据ASME核电标准对气体过滤减压阀进行了应力评定。研究结果表明,气体过滤减压阀各部件在地震工况下均满足规范要求。所采用的研究方法也为其他核电站气体过滤减压阀的设计与抗震分析提供了参考。