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风力发电机复合材料叶片结构动力学特性研究

风力发电机复合材料叶片结构动力学特性研究

作者：卢秉喜兰州理工大学

学位级别：硕士

作为风能利用最有效方式,风力发电在实现碳达峰和碳中和目标中发挥重要作用。结构扁平、柔性大、展向长和弦向短的风力发电机叶片,在时变载荷和强阵风冲击作用下,容易引起崩溃性破坏发生,故对复合材料叶片动态特性提出更高要求。本研究... 详细信息

作为风能利用最有效方式,风力发电在实现碳达峰和碳中和目标中发挥重要作用。结构扁平、柔性大、展向长和弦向短的风力发电机叶片,在时变载荷和强阵风冲击作用下,容易引起崩溃性破坏发生,故对复合材料叶片动态特性提出更高要求。本研究在国家自然科学基金项目“西北典型风资源环境下变刚度风力机叶片结构性能退化机理研究(No.51965034)”资助下,针对风力发电机复合材料叶片结构动力学特性问题,以5 MW水平轴风力发电机叶片为研究对象,通过复合材料结构理论,对叶片铺层方案展开研究;基于此,借助有限元法对复合材料叶片静态响应和结构动力学特性展开研究。本主要研究内容及研究成果如下:(1)构建叶片气动数值模拟计算域,通过网格无关性验证,确定合理网格尺寸,探究不同风速叶片气动特性,求解额定工况11.4m/s时叶片表面压力载荷分布。首先构建数值模拟计算域;其次按照网格尺寸由小到大对计算域进行网格划分,通过计算不同数量网格的风轮输出功率,得到最佳数值模拟计算网格数为4572万;最后求解叶片所受推力和转矩,进而验证叶片气动数值计算模型的准确性,并对尾流场速度和叶片表面压力载荷展开研究,得到气流在叶片表面流动特性和尾流场速度分布情况及叶片在风速为11.4m/s时表面所受压力载荷。(2)构建复合材料叶片有限元模型并对其进行静态响应特性研究。首先基于复合材料叶片结构理论及德国劳氏船级社(GL)叶片认证标准对叶片铺层方案开展研究,确定复合材料叶片铺设层数和铺设角度,并基于ACP模块完成5 MW水平轴风力发电机复合材料叶片有限元建模;然后以叶片在额定工况11.4m/s时叶片表面压力分布结果为加载载荷,基于静力学基本原理对复合材料叶片在额定工况开展静态响应研究,探究叶片在该工况形变及应力应变分布。研究结果表明,额定工况下叶片变形量最大处位于叶尖,总变形量为2533mm,未超过风力发电机静止时最低处叶片叶尖与塔筒水平距离的70%;且叶片等效应力最大位置位于叶片吸力面距叶根32250mm处,其值为256MPa,远小于叶片铺设材料许用应力1546MPa,满足叶片结构强度要求。(3)研究复合材料叶片结构动力学特性。基于复合材料叶片有限元模型,首先采用Block Lanczos法计算叶片前六阶模态,得到叶片前六阶振动频率和相应模态振型;求解不同转速下叶片振动频率,探究当叶片转速增加时,叶片固有频率变化情况;通过计算叶片固有频率,得到叶片振动坎贝尔图,判断叶片在实际运行过程是否发生共振;其次基于复合材料叶片模态分析,采用模态叠加法对叶片谐响应特性展开研究;最后根据静力学分析结果,采用有限元法对叶片开展屈曲稳定性研究。结果表明,叶片第一阶固有频率为0.887Hz,叶片前六阶模态振型分别为第一阶挥舞、第一阶摆振、第二阶挥舞、第二阶摆振、第三阶挥舞和第三阶摆振,其未出现扭转振动,表明该叶片抗扭转性能较好;叶片旋转时离心力使得叶片前六阶固有频率均增大,其中对叶片第一阶固有频率提升可达3.6%,对叶片第六阶固有频率仅提高0.44%;且叶片在实际运行时第一阶固有频率分别高出叶片旋转频率1P和3P为77.5%和32.5%,不发生共振现象;叶片在振动频率为1.06Hz和5.86Hz时易出现超谐波振动现象,应使叶片运行时错开该频率;叶片第一阶屈曲因子为1.271,表明叶片临界载荷值大于叶片所受载荷,发生屈曲可能性较小。

关键词：风力发电机复合材料叶片气动特性静态响应特性结构动力学

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风力发电机复合材料叶片振动特性分析

兰州工业学院学报 2023年第5期30卷 72-77页

作者：张政王国伟卢秉喜甘肃重通成飞新材料有限公司甘肃武威733000 兰州理工大学机电工程学院甘肃兰州730050

针对风力发电机复合材料叶片振动特性问题,以5 MW风力发电机叶片为研究对象,通过复合材料基础确定叶片铺层方案;借助有限元法对复合材料叶片静态固有频率和运行时固有频率展开分析。结果表明:叶片第1阶固有频率为0.887 Hz,叶片前6阶模... 详细信息

针对风力发电机复合材料叶片振动特性问题,以5 MW风力发电机叶片为研究对象,通过复合材料基础确定叶片铺层方案;借助有限元法对复合材料叶片静态固有频率和运行时固有频率展开分析。结果表明:叶片第1阶固有频率为0.887 Hz,叶片前6阶模态振型均未出现扭转振动,表明该叶片抗扭转性能较好;叶片旋转时离心力使得叶片前6阶固有频率均增大,其中对叶片第1阶固有频率提升可达3.6%,对叶片第6阶固有频率仅提高0.44%;且叶片在实际运行时第1阶固有频率分别高出叶片旋转频率1P和3P为77.5%和32.5%,不发生共振现象。

关键词：风力发电机复合材料叶片固有频率离心刚化效应

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极限载荷下风力发电机轮毂损伤分析

兰州理工大学学报 2022年第5期48卷 65-69页

作者：郑玉巧靳红红赵锋卢秉喜李浩何正文兰州理工大学机电工程学院甘肃兰州730050

针对传统风力发电机轮毂服役载荷环境的不确定性和多样性,在极限载荷下进行风力发电机轮毂损伤研究和结构优化.首先,按叶片坐标系对轮毂模型施加极限载荷,得到轮毂应力云图,求解轮毂在极限工况下的强度;然后,结合S-N曲线和Miner累积损... 详细信息

针对传统风力发电机轮毂服役载荷环境的不确定性和多样性,在极限载荷下进行风力发电机轮毂损伤研究和结构优化.首先,按叶片坐标系对轮毂模型施加极限载荷,得到轮毂应力云图,求解轮毂在极限工况下的强度;然后,结合S-N曲线和Miner累积损伤准则对轮毂等效应力进行平均应力修正,求解轮毂表面的损伤变化规律;最后,对轮毂结构进行结构拓扑优化,并对优化后的轮毂进行重新建模和静强度分析.结果表明:结构优化后轮毂质量减少9.2%,满足强度要求,为后续轮毂结构优化提供理论基础.

关键词：轮毂极限载荷应力损伤

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地幔对流构造模式及其对地球表面构造演化的启示:三维数值模拟研究

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中国科学:地球科学 2025年第1期 272-298页

作者：相松黄金水吴秉乘中国科学技术大学地球和空间科学学院中国科学院比较行星学卓越中心

本文利用三维球壳区域的地幔对流数值模型,计算分析得到五类地幔对流构造模式,即非板块活动层盖对流模式、类板块活动层盖对流模式、幕式类板块活动层盖对流模式、幕式停滞层盖对流模式以及停滞层盖对流模式;给出了五类构造对流模式的... 详细信息

本文利用三维球壳区域的地幔对流数值模型,计算分析得到五类地幔对流构造模式,即非板块活动层盖对流模式、类板块活动层盖对流模式、幕式类板块活动层盖对流模式、幕式停滞层盖对流模式以及停滞层盖对流模式;给出了五类构造对流模式的典型特征,以及依据板块度、移动度及其均方差的数值分类标准.结果显示,岩石圈的屈服应力对地幔对流处于何种构造模式具有重要影响,随着屈服应力从小到大逐渐增加,地幔对流依次经历前述五类构造模式;瑞利数增大,产生类板块活动层盖对流的屈服应力范围越小,不同构造对流模式间的无量纲转换应力增加.非板块活动层盖对流模式和类板块活动层盖对流模式间的量纲化转换应力有随瑞利数增加而增加的趋势,其他不同构造对流模式间的量纲化转换应力随瑞利数增加而减小;不同构造对流模式间的转换应力总体上与内生热率成反比,转换应力随内生热率增加而减小.构造对流模式转换应力的拟合分析显示,当今地球处于板块构造运动,要求数值模型的岩石圈的屈服应力介于150～250MPa,这与实验岩石学得到的蛇纹岩化地幔岩的强度值接近;如果太古代地幔温度比现在高300℃,那时的地球处于幕式停滞层盖对流模式.地球表面构造运动演化与岩石圈强度以及热演化过程密切相关,在岩石圈强度只有150MPa时,早期地幔快速冷却模型的板块构造开始时间可早于3.8Ga;晚期地幔快速冷却模型,板块构造模式开始时间约在1.5Ga.但在岩石圈强度有200MPa时,晚期地幔快速冷却模型对应板块构造模式开始时间晚至0.95Ga.早期地幔快速冷却模型的板块构造开始时间约在2Ga.早期地球处于幕式停滞层盖对流模式意味着那时仍可能存在俯冲.后期幕式类板块活动层盖对流模式的存在则说明在板块构造运动期间可能也存在间歇的表面构造运动停滞阶段,这或为地球1.0Ga前后的构造活动平静期提供一种解释;同时也表明,一段地质时期的构造不活跃不是板块构造运动没有开始的指标.

关键词：地幔对流构造模式类板块活动层盖对流模式幕式类板块活动层盖对流模式幕式停滞层盖对流模式板块构造运动和地球构造演化

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广州-佛山跨市地铁线路客流特征分析及启示

城市轨道交通研究 2025年

作者：卢火平佛山市城市规划设计研究院有限公司

[目的] 目前，在广州-佛山同城化发展背景下，两市的地铁设施也呈现一体化发展态势。广州-佛山跨市地铁线路规划设计，受城市间交互客流影响。对此，有必要分析广州-佛山跨市地铁线路客流特征。[方法]针对广佛线和佛山地铁2号线一期项... 详细信息

[目的] 目前，在广州-佛山同城化发展背景下，两市的地铁设施也呈现一体化发展态势。广州-佛山跨市地铁线路规划设计，受城市间交互客流影响。对此，有必要分析广州-佛山跨市地铁线路客流特征。[方法]针对广佛线和佛山地铁2号线一期项目两条广佛跨市地铁线路，分别分析了线路的总体客流特征，从车站客流分布、区间客流分布、高峰时段断面客流量分布、全日客流时间分布等方面阐述了线路的客流时空分布特征，并基于广佛线与2号线的客流特征对比，提出相关建议。[结果及结论]广州-佛山跨市地铁线路服务于跨市通勤客流。在选择制式和编组时，应当对预留一定的弹性空间，以免未来出现运力不足、服务水平受限的情况。由于在两市交界处换乘站的换乘量较大，故在换乘站规划设计时应当予以充分考虑，尽量提高换乘效率和舒适度。对于跨市地铁线路，衔接广州外围区时的线路客流效益低于衔接广州市中心城区时的线路客流效益，因此在后续广佛跨市地铁线路规划设计中应充分考虑广州核心区的辐射，保障广佛跨市地铁线路客流水平、提高地铁服务能力、优化客流预测、优化规划设计。

关键词：跨市地铁客流特征广佛交互客流客流时空分布

制度规范和人本内核：基于会议记录的生活书店人事管理探析(1936.9―1939.4)

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中国编辑 2025年第1期 24-33页

作者：李晓灵卢九九兰州大学新闻与传播学院

作为详细记载生活书店内部管理及事项决议的珍稀资料，会议记录凸显了临时委员会阶段生活书店富有特色的人事管理体系，即以人事架构、聘用考核、薪资福利与员工奖惩为主，四维一体，既严格规范，又充满人本内核的现代性人事管理体系。... 详细信息

作为详细记载生活书店内部管理及事项决议的珍稀资料，会议记录凸显了临时委员会阶段生活书店富有特色的人事管理体系，即以人事架构、聘用考核、薪资福利与员工奖惩为主，四维一体，既严格规范，又充满人本内核的现代性人事管理体系。它为激发生活书店的组织效力、完善媒介经营管理提供了重要支撑。究其实质，生活书店人事管理体系严密的制度规范，是现代媒介经营理念专业性的体现，而人本内核则是人本主义传播理想的映照。它进一步彰显了邹韬奋媒介经营实践中专业主义原则和人本主义理想的同构，是生活书店集体智慧和韬奋精神的高度融合，具有重要的历史价值，对当今新闻出版乃至媒介经营亦是特殊的鉴照。

关键词：会议记录生活书店人事管理制度规范人本内核

基于固体介质的高次谐波和阿秒脉冲产生及应用

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中国科学:物理学力学天文学 2025年第1期 20-33页

作者：夏宇峰黄沛付玉喜中国科学院大学中国科学院西安光学精密机械研究所阿秒科学与技术研究中心

超短脉冲激光与物质的强场非微扰相互作用可以实现高次谐波产生(High-order Harmonic Generation,HHG),目前是阿秒脉冲产生的最有效途径,其研究范围已从气体扩展到固体材料. 2011年, Ghimire等人首次在Zn O固体中观察到非微扰区的透射... 详细信息

超短脉冲激光与物质的强场非微扰相互作用可以实现高次谐波产生(High-order Harmonic Generation,HHG),目前是阿秒脉冲产生的最有效途径,其研究范围已从气体扩展到固体材料. 2011年, Ghimire等人首次在Zn O固体中观察到非微扰区的透射高次谐波,为开发下一代集成化的极紫外阿秒光源提供了新的路径,也为探索凝聚态体系内部的超快动力学过程提供了新的研究手段.与气体介质相比,固体材料具有高密度、空间结构复杂等特点,其高次谐波的产生机制更为复杂.本文首先概述了固体高次谐波的独特性质,并展示了固体高次谐波与气体高次谐波的差异性.然后列举了固体高次谐波的应用场景,重点介绍了基于固体高次谐波产生阿秒脉冲的相关工作.最后分析了固体高次谐波现存的问题和未来的发展方向.

关键词：超快过程高次谐波超快光谱学阿秒科学

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盾构隧道开挖诱发邻近桩周土体变形试验研究

人民长江 2025年

作者：范伟亮张孟喜中铁二十局集团有限公司上海大学力学与工程科学学院

针对超大直径隧道开挖时邻近桩基变形观测困难的问题，提出了超大直径隧道侧穿桩基的透明土试验方案，采用熔融石英砂、搭配正十二烷和白油混合溶液作为孔隙溶液配置透明土，并结合光学观测系统及PIV处理系统，对盾构隧道开挖引起的邻... 详细信息

针对超大直径隧道开挖时邻近桩基变形观测困难的问题，提出了超大直径隧道侧穿桩基的透明土试验方案，采用熔融石英砂、搭配正十二烷和白油混合溶液作为孔隙溶液配置透明土，并结合光学观测系统及PIV处理系统，对盾构隧道开挖引起的邻近桩周土体位移变化规律进行分析，获得不同情况下桩周土体位移场。试验结果表明：随着桩隧间距的增大，隧道的开挖对桩基附近的土体扰动会越来越小，当桩隧距离到达1.5倍隧道直径时，桩基所受的影响到达临界值；随着桩长的增大，桩侧土体的竖向位移呈现抛物线形式，先增大后减小；而桩侧土体的水平位移会随着桩长的增大由桩基上部向隧道方向倾斜变为桩基上部和隧道范围内的土体向隧道方向倾斜；开挖面距离桩基越近，开挖对桩周土体位移影响越剧烈。

关键词：透明土超大直径盾构开挖土体位移场侧穿桩基

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中口径枪弹全弹道建模及弹道特征量分析

兵器装备工程学报 2025年

作者：司鹏王云龙宋杰卢大斌南京理工大学中国兵器工业第208研究所

为了研究某中口径机枪内弹道特征量的时空分布规律以及射弹散布，建立了一维两相流内弹道模型和六自由度随机外弹道模型。通过将数值模拟得到的弹道参量与射击试验结果进行对比，验证了计算模型的正确性。应用该数学模型分析了装药量、... 详细信息

为了研究某中口径机枪内弹道特征量的时空分布规律以及射弹散布，建立了一维两相流内弹道模型和六自由度随机外弹道模型。通过将数值模拟得到的弹道参量与射击试验结果进行对比，验证了计算模型的正确性。应用该数学模型分析了装药量、弹重和火药弧厚对内外弹道参量的影响。结果表明：在子弹运动后火药完全燃烧前，膛内轴向压力梯度较大，一维两相流内弹道模型能够有效描述该特性；子弹出膛后，射弹散布呈现出高度偏差略大于横向偏差的特点；相比于弹重，装药量和火药弧厚对内外弹道性能的影响更为显著，随装药量增加，膛压、子弹初速和射弹散布增加，而火药弧厚产生相反影响。研究结果可对中口径自动武器的弹道设计和优化提供参考。

关键词：中口径枪弹内弹道外弹道射弹散布数值模拟