壓電板殼風力機葉片設計與振動控制研究.pdf

1、風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，葉片是風力機中最關鍵的部件之一，占到整機成本的20％左右，風力機葉片在載荷作用下的振動破壞是風力機常見故障，本文在綜述國內(nèi)外風力發(fā)電及風力機葉片發(fā)展的基礎上，分析了風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合材料內(nèi)部以構(gòu)成智能風力機葉片的思想，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)設計;基于扁殼理論，將設計的

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;引入自適應濾波思想，設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)介紹了當前國內(nèi)外風能利用的現(xiàn)狀以及葉片結(jié)構(gòu)、材料和設計情況，對風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用、國

3、內(nèi)外的研究情況。指出現(xiàn)有研究的不足，引出風力機葉片振動主動控制的必要性。
　　2)智能復合材料葉片載荷分析:探討風力機葉片載荷的形式，根據(jù)風力機葉片在不同風載作用下，研究不同設計工況的結(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)智能復合材料葉片結(jié)構(gòu)設計:根據(jù)設定的風輪設計功率、啟動風速等設計參數(shù)及葉片翼型的力學

4、性能分析等來確定葉片氣動參數(shù)?；谧鴺俗儞Q方法和復合材料設計思想，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、強度的設計條件，由風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，研究復合材料葉片的強度設計方法;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)設計方法和準則;以1.5MW風力機為例，設計了壓電板殼式風力機葉片，并進行三維建模，為壓電板殼式

5、風力機葉片進一步分析研究打下基礎。
　　4)壓電板殼式風力機葉片結(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，推導了扁殼壓電與彈性力學耦合方程，基于H-R(Hellinger-Reissner)變分原理、剪切變形理論和哈密頓(Hamilton)原理，推導并建立了壓電板殼式復合材料葉片結(jié)構(gòu)的機-電耦合動力學模型。
　　5)將壓電板殼式機-電耦合動力學模型在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，針對設計的壓電智能復合材料葉片，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、應力和應變的大小變化進行分析，確定壓電材料用于風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，葉片在受到陣風或隨機風作用后，振動緩慢衰減，當給葉片中壓電材料

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，在極端風速情況下能極大的提高風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)，將風力機葉片等效為壓電懸臂梁，實現(xiàn)LMS算法，設計參數(shù)可調(diào)的IIR濾波器，由自適應濾波器對結(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，