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风力机桨叶机械动力学特性实验研究

风力机桨叶机械动力学特性实验研究

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作者：李海波长沙理工大学

学位级别：硕士

风力机桨叶是风力发电机组的关键部件，桨叶的结构设计是整个风力机组设计的基础。风力发电机组运行于大气中，风机的桨叶工作环境特别恶劣，受到气动载荷、重力载荷和惯性载荷的叠加作用，而且长期不停的工作，风力发电机的桨叶损坏率... 详细信息

风力机桨叶是风力发电机组的关键部件，桨叶的结构设计是整个风力机组设计的基础。风力发电机组运行于大气中，风机的桨叶工作环境特别恶劣，受到气动载荷、重力载荷和惯性载荷的叠加作用，而且长期不停的工作，风力发电机的桨叶损坏率较高，桨叶损坏对风力发电造成了很大的经济损失。因此对风力机桨叶进行机械动力学特性测试和分析，对提高风力发电整体效率和节约风力发电成本，进一步促进风力发电是很有必要的。本文采用理论计算和实验研究相结合的方法，以实验研究为主对风力机桨叶机械动力学特性进行研究分析，针对风力机桨叶进行了模态测试实验、静力测试实验和覆冰状态下的桨叶模态测试实验。首先介绍了以风力机桨叶振动特性分析实验装置实验台待测桨叶为例，在Solidworks软件中建立风力机桨叶实体模型，应用有限元软件ANSYS对静止状态下的桨叶进行振动模态分析和静力分析，得出了风力机桨叶的固有频率和振型，并获得了风力机桨叶的主要承力部件，为后续的实验研究打下了重要的理论基础。然后，利用实验室建成的风力机桨叶振动特性分析装置及其主要实验设备，分别设计了风力机桨叶模态测试和静力测试实验系统和实验方法，采用不测力法、测力法和共振法对风力机桨叶进行了实验模态测试，得出了风力机桨叶模态参数。利用液压加载装置对桨叶施加不同载荷，获得了桨叶在不同载荷作用下的形变特性，通过实验和有限元静力分析结果验证了叶根为风力机桨叶的主要承力部件。最后，在模态测试和静力测试实验的基础上，搭建了用于风力机桨叶覆冰实验的实验台系统，在人工环境实验室中模拟大气结冰环境，监测不同覆冰厚度和温度下对桨叶覆冰机械动力学特性的影响，得出覆冰厚度和温度对桨叶固有特性的影响关系曲线。同时，建立了基于多传感器信息的覆冰厚度评价方法，获得了风力机桨叶覆冰厚度和评价指标之间定量关系，从而将覆冰厚度评价公式化、实用化。本文针对风力机桨叶机械动力学特性研究能够促进全面深入的了解风力机桨叶的结构特性，从而对我国风机制造的发展起到积极的作用。

关键词：风力机桨叶机械动力学特性模态测试静力测试覆冰

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多功能压电超声换能器的有限元设计及其机电转换特性研究

多功能压电超声换能器的有限元设计及其机电转换特性研究

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作者：周铄浙江工商大学

学位级别：硕士

当前,国家对新能源发展给予了高度重视,超声振动能量作为一种新能源以声波的形式广泛存在于自然环境和工业生产中。但是由于其研究机理较为复杂,大多数压电超声换能器的功能设计单一,仅适合某些特定场景,容易因器件的故障使整个机电系... 详细信息

当前,国家对新能源发展给予了高度重视,超声振动能量作为一种新能源以声波的形式广泛存在于自然环境和工业生产中。但是由于其研究机理较为复杂,大多数压电超声换能器的功能设计单一,仅适合某些特定场景,容易因器件的故障使整个机电系统出现崩溃。相对于单一功能器件,多功能器件具有更高的稳定性、更加广阔的应用背景,可以大幅度减少器件故障时对整个微机电系统的影响,保证微机电系统持续运行。然而,由于多功能器件包含多种功能,需要多种不同原理实现其不同功能,因此复杂程度较大。对此,本文设计出一种基于压电效应原理具有超声振动能量转换与机械传动一体化的新型多功能压电超声换能器,使加装了该器件的机械或电子设备具有能量减耗与转换功能,减少自身消耗或为其他低功耗器件提供能源,大大提高了整个微机电系统的生命周期及适应各种环境的能力。并且在压电效应原理的基础上,设计出电磁式旋转能量采集,实现多种能量采集一体化,增加为其他器件供电的能力,本论文的主要研究内容包括:(1)设计了一种多功能的压电超声换能器结构,一是通过压电陶瓷的逆压电效应设计出器件机械传动功能,将电能转换成机械能;二是通过压电陶瓷的正压电效应将其自身产生的超声振动能量转换成电能并为其他低功耗电子产品供能;三是融合电磁感应原理,将多功能压电超声换能器旋转运动的能量转换成电能。该设计使多功能压电超声换能器突破了当前压电超声换能器功能单一的局限性。(2)利用有限元软件ANSYS建立多功能压电超声换能器的有限元实体离散模型并进行解析,改变模型的结构参数,研究不同结构尺寸变化对其模态特性、谐响应特性和瞬态特性的影响;基于灵敏度方法,优化得到器件最佳性能的结构尺寸,为多功能压电超声换能器的实用化提供设计理论基础。(3)基于压电陶瓷的逆压电效应和Hamilton原理建立多功能压电超声换能器机械动力学模型,并对模型进行振动分析、接触面摩擦分析、压电特性等效转换分析;考虑多功能压电超声换能器在不同条件下,其机械输出特性的变化,结合龙格库塔算法,得到转速随预压力变化的仿真曲线。最后对多功能压电超声换能器的进行机械特性实验,验证理论分析结果。仿真得出器件在150N的预压力条件下,其空载时的转速为112 r/min,最大堵转力矩为1.043N·m、最大输出功率为3.34W;并且预压力对压电超声换能器的影响很大,预压力增大时压电超声换能器的转速相应减小,而堵转力矩则会增大。压电超声换能器最大效率在预压力F为200-400N之间,此时最大效率约为17%;只有当激振频率非常接近压电超声换能器的谐振频率时,压电超声换能器的各种机械性能才会达到最优。激励频率与谐振频率相差的绝对值越大,则转速与转矩减小的幅度越大。(4)基于正压电效应原理建立多功能压电超声换能器的超声振动能量采集数学模型,分别研究压电超声换能器在驻波和行波不同激励条件下采集电压、电流以及电功率等特性随系统参数变化的规律;结合匹配阻抗方法,获得压电超声换能器的最佳输出功率及其负载参数,为后续拓扑电路的设计提供理论参考。研究结果表明:在谐振频率为35.2k Hz、电压幅值为67 V的行波激励条件下,采集PZT各个扇区及孤极PZT扇区的输出电压幅值平均为39 V和34.4 V,最大输出功率分别达到113 m W和82.4 m W;在负载匹配电阻R=6kΩ时,采集PZT扇区的输出电压平均为18.8V,输出电流为3.1m A,输出功率可达到60m W;器件工作在最大转速时,采集PZT输出电压为28V,外接负载匹配电阻R=6kΩ时,输出电压为13.7V。并且得出,无预压力时行波激励下采集PZT的输出电压和功率,为各相驻波激励下采集PZT的输出电压和功率的平方和开根。(5)在多功能压电超声换能器压电效应设计原理的基础上,设计出超声旋转-电磁感应复合型能量采集,将压电超声换能器的旋转运动转换成电能。

关键词：多功能压电超声换能器压电效应有限元分析机械动力学特性超声振动能量采集与实验验证

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