壓電板殼風(fēng)力機葉片設(shè)計與振動控制研究.pdf

1、風(fēng)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(fēng)力機中最關(guān)鍵的部件之一，占到整機成本的20％左右，風(fēng)力機葉片在載荷作用下的振動破壞是風(fēng)力機常見故障，本文在綜述國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電及風(fēng)力機葉片發(fā)展的基礎(chǔ)上，分析了風(fēng)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(fù)合材料內(nèi)部以構(gòu)成智能風(fēng)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

2、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(yīng)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(dāng)前國內(nèi)外風(fēng)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(fēng)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(yīng)用、國

3、內(nèi)外的研究情況。指出現(xiàn)有研究的不足，引出風(fēng)力機葉片振動主動控制的必要性。
　　2)智能復(fù)合材料葉片載荷分析:探討風(fēng)力機葉片載荷的形式，根據(jù)風(fēng)力機葉片在不同風(fēng)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(fēng)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(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計:根據(jù)設(shè)定的風(fēng)輪設(shè)計功率、啟動風(fēng)速等設(shè)計參數(shù)及葉片翼型的力學(xué)

4、性能分析等來確定葉片氣動參數(shù)。基于坐標(biāo)變換方法和復(fù)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(fēng)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(fù)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(fēng)力機為例，設(shè)計了壓電板殼式風(fēng)力機葉片，并進行三維建模，為壓電板殼式

5、風(fēng)力機葉片進一步分析研究打下基礎(chǔ)。
　　4)壓電板殼式風(fēng)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(dǎo)了扁殼壓電與彈性力學(xué)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(dǎo)并建立了壓電板殼式復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)的機-電耦合動力學(xué)模型。
　　5)將壓電板殼式機-電耦合動力學(xué)模型在Matlab軟件中進行有限元分析，得

6、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(fù)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(yīng)力和應(yīng)變的大小變化進行分析，確定壓電材料用于風(fēng)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(fēng)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(fēng)或隨機風(fēng)作用后，振動緩慢衰減，當(dāng)給葉片中壓電材料

7、施加控制電壓后，在壓電材料的逆壓電效應(yīng)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(fēng)速情況下能極大的提高風(fēng)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(fēng)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(yīng)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，