变风速条件下风力发电机输入载荷及其影响因素分析

建立了基于自回归(AR)方法的风场风速模型,求解得到了风速的变化时程;用Glauert方法求得了变风速下风力发电机的输入载荷——推力和扭矩随风速的变化时程;通过对载荷的统计分析得到了风力发电机的设计载荷谱和载荷雨流计数直方图;分析了变风速下风轮叶片主要参数对风力发电机输入载荷的影响规律:推力和扭矩载荷的均值随桨距角变化的响应明显,并随桨距角的增大而变小;推力的波动幅值随桨距角的增大先是增大然后减小,而扭矩的波动幅值则随桨距角的增大而单调减小;推力随叶片扭转角和攻角的变化响应明显而扭矩随扭转角和攻角变化的响应不明显。     

额定工况下桨距角对5MW风力机叶片动力特性的影响

以NREL 5 MW风力机为研究对象,基于UG完成了叶片建模,利用ANSYS Workbench计算额定工况下叶片在不同桨距角下的位移和应力响应,分别采用Fourier函数和Gaussian函数对不同桨距角下的最大位移和应力进行拟合。结果表明:最大位移峰值随桨距角的增大呈现先减小后增大的趋势,最大位移发生在叶尖;不同桨距角下应力峰值均出现在叶片中部和叶根;叶片沿翼展方向的后缘位移和应力均随着桨距角的增加而有所增加;拟合曲线准确地描述了叶片最大位移和最大应力随桨距角的变化规律。结果可为风力机安全运行提供重要指导。     

变风速下风力机叶片载荷特性研究

根据风力机的气动理论,并考虑风切变和风力机结构、几何参数的影响,建立了风力机叶片的气动载荷计算模型。以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速4种风速类型建立了变风速模型,并应用于叶片载荷计算模型,实现变风速下的叶片气动载荷的计算。以某MW级风力机为对象,给出了数值计算流程并进行了实例计算,结果显示:风力机叶片的气动载荷主要分布在叶片的中段和叶尖,且载荷大小随风速起伏变化,叶根的气动载荷随风速变化的趋势不明显,风速较大时,叶片上的载荷波动较为显著。结果可为叶片的结构设计和动力学分析提供参考。     

基于独立变桨距控制的风轮减载策略

为减小风切变、塔影效应以及湍流风等因素引起的风轮不平衡载荷,在分析风切变、塔影效应以及湍流风模型的基础上,提出了一种基于方位角和载荷联合反馈的独立变桨距控制策略。结合方位角权系数分配环节和叶根挥舞载荷反馈PID控制环节,分别调节每支叶片的桨距角,实现风轮减载控制。基于GH Bladed平台的仿真结果表明,与统一变桨距控制相比,所提独立变桨距控制策略可有效减小风轮不平衡载荷,不仅适用于风切变和塔影效应引起的载荷波动,在湍流风影响时也能起到较好的抑制作用。     

风雨联合作用下城轨车辆横风载荷特性研究

为分析风雨环境下城市轨道交通高架线路区段列车的横风载荷特性,采用双方程湍流模型和离散相模型相结合的方法,对不同降雨强度、横风风速和运行车速条件下列车横向风载荷进行了研究.结果表明:列车的横风载荷随着环境横风速度和列车运行速度的增大而增大,而降雨强度对列车横风载荷的影响不明显;解耦分析降雨因子影响可知,当雨滴直径小于1.6 mm时,横风载荷系数随雨量的增大而增大,随雨滴直径的增大而减小;当雨滴直径大于1.6 mm时,横风载荷系数随雨量的增大而减小,随雨滴直径的增大而增大.     

预切槽机上单把切刀的切削载荷特性

为了研究预切槽机上切刀在开挖过程中的受载特性,建立了单把切刀水平推进载荷计算模型,并运用LS-DYNA软件模拟单把切刀切削岩土的过程,分析不同切削深度及刀刃角对切刀水平推进载荷的影响规律.结果表明:切刀水平推进载荷远大于垂直载荷,水平载荷随着切削深度的增大而增大;相同切削深度下,切刀水平载荷随刀刃角的增大而增大,刀刃角从80°增大到125°,各个切削深度下水平载荷平均增大30.7%;切刀比能耗随着刀刃角的增大呈先减小后基本不变的趋势,在刀刃角为110°时,切刀切削效率最高,且切刀比能耗随着切削深度的增大而减小.     

摩擦对某钢板弹簧力学特性的影响分析

摩擦是影响钢板弹簧非线性的关键因素.基于CATIA建立某少片钢板弹簧几何模型,考虑接触摩擦,在ABAQUS中建立其有限元模型,分析不同摩擦下钢板弹簧的力学特性.通过5种摩擦系数和2种载荷的不同组合,获得不同载荷及摩擦对钢板弹簧刚度、应力分布及接触压力的影响规律.结果表明:在同一载荷状态下,钢板弹簧刚度随摩擦系数的增大而增大,应力与片间接触压力随摩擦系数的增大而减小;同一摩擦状态下,刚度随载荷的增加呈增长趋势,且摩擦系数越大该趋势越明显.研究结果可为兼顾刚度,强度及接触压力性能的钢板弹簧设计开发提供参考.     

小型水平轴风力机在不同桨距下发电性能的实验研究

本文对一小型水平轴风力发电机的发电性能和叶片流场进行了实验研究.基于三种桨距,测出在不同的来流风速和不同负载下的电流和发电功率,分析得到随着负载的增大电流强度减小,而功率随着风速的增大先增大后减小,存在着峰值功率;结果也表明桨距对叶片风能利用率影响较大.基于桨距A=60°、来流速度3m/s和负载5Ω,采用粒子图像测速仪(PIV)技术对垂直于桨叶旋转平面的截面进行了流场测量,结果显示桨尖涡在风力机叶片流场中起主导作用.     

基于权系数法的功率和载荷协同控制策略

针对大型风机在高风速区由风剪切效应引起的输出功率波动和叶轮不平衡载荷,从功率和载荷两个维度出发,以NREL公司的5MW陆基风机为对象,提出一种基于权系数法的功率和载荷双目标协同的独立变桨控制策略。首先,以遗传算法优化的PID作为主控制器,通过风轮转速反馈得到统一变桨距角;其次,根据方位角反馈得到各桨叶的动态权系数,以此调整各桨叶的桨距角;最后,将叶根挥舞力矩反馈给模糊PID控制器得到载荷影响下的桨距角微调量,并对桨距角进行修正。通过FAST和Matlab/Simulink平台联合仿真,将所提控制策略与统一变桨距控制和独立变桨PI控制对比分析。结果表明,所提控制策略能有效地将输出功率稳定在额定功率附近,并且对于降低风轮不平衡载荷具有显著效果。     

小型H型垂直轴风力机变桨机构的优化设计与试验

为解决现有垂直轴风力机风能利用率较低的问题,以获得风轮最大切向力为目标,分别获得了风轮上风区和下风区叶片的最佳理论攻角为8°和-8°,计算出了叶片一周桨距角调节策略。在此基础上,采用随机方向法对双曲柄变桨机构进行了优化设计,得到了不同叶尖速比下变桨机构的参数组合。为验证垂直轴风轮变桨机构的合理性,以叶尖速比2为例,利用ADAMS软件对变桨机构模型进行了运动学特性仿真,并采用旋转测角法对叶片桨距角变化曲线进行了数据拟合,计算结果显示:实际桨距角变化曲线与理想变桨曲线的贴合程度较高。风洞试验进一步证明:所设计的变桨距垂直轴风力机具有更好的自启动性能,且在现有风速下比定桨距垂直轴风力机的发电效率至少提高了7.86%。     

水平轴风力机变桨载荷分析与计算

针对风力机变桨载荷常规计算时忽略很多细节从而导致数值不精确的问题,文中以大型水平轴风力机为研究对象,通过数值计算软件Matlab/Simulink,在建立风电机组非线性模型基础上,对风力机桨叶外形参数和空气动力数据进行分析和计算,得到风力机桨叶轴向诱导因子、周向诱导因子、入流角、攻角、相对风速、桨距角等参数对应不同风速的值,最终根据这些参数,综合分析计算,得到了风力机变桨载荷的数值.计算结果为风力机变桨控制系统分析和设计提供了更为可靠的基础性数据.     

变桨距风力发电机组的控制策略研究

在对风力发电机组运行控制分析的基础上,针对变桨距风力发电机组功率控制问题,对变桨距风力发电机组控制系统建立了模型,并对变桨距控制系统进行了模拟仿真分析,得出改变桨距角的大小就可以控制叶片吸收风功率的多少,调节桨距角可以使发电机输出功率平稳。     

垂直轴风力机主动式变桨距控制规律

针对定桨距垂直轴风力机启动能力差与风能利用率较低的问题,对主动式变桨距控制方法和规律进行研究,以达到提高风能利用率的目的.以双盘面多流管理论为基础,分析叶片的局部流场,建立风力机的数学模型,并以最大瞬时功率为目标函数设计桨距角优化程序,通过分析获得不同尖速比下的桨距角控制规律.根据CFD模型,对定桨距风力机进行数值模拟,分析不同桨距角下的气动性能;对优化后的控制规律在CFD中进行仿真研究,分析风力机的力学行为和风能利用率.研究结果表明:外偏置桨距角可以提高上盘面的气动性能且在桨距角为-4°时获得最大的风能利用率;变桨距控制下的有效力矩区相比定桨距风力机增加了1倍,最大风能利用率也高达39.12％,主动式变桨距控制规律可以明显提高风力机的整体性能.     

减小风剪、塔影和湍流效应的独立变桨控制研究

针对现阶段兆瓦级风力发电机组(简称风力机组)运行在高风速时,由于风剪、塔影、湍流等因素影响,传统的PI统一变桨控制不能很好控制叶轮的不平衡载荷问题,提出了基于叶根载荷反馈的独立变桨控制策略。首先使用Bladed平台计算翼型的气动参数,再将各叶片的叶根载荷通过d-q坐标变换送入PI控制器中计算出各叶片最佳增益;其结果经过d-q坐标逆变换,获得各叶片附加桨距角,在统一变桨的基础上实现对各叶片独立变桨的控制。通过对叶根载荷和叶片挥舞弯矩仿真分析,验证了建立的独立变桨控制策略的优越性。     

基于等效热-力载荷的20Cr2Ni4预应力车削残余应力模拟及实验

为快速准确预测20Cr₂Ni₄合金钢预应力车削表面残余应力的分布,基于等效热-力载荷建立三维有限元仿真模型,通过切削热-力模型确定等效热-力载荷的分布形状和强度,将切削过程等效为接触正应力、接触剪应力和热流通量在已加工表面的循环作用.模拟的残余应力分布趋势与测量结果基本吻合.基于上述模型研究了切削速度、进给量和预应力大小对残余应力分布的影响.结果表明,切削速度对残余应力分布影响不明显,减小进给量能使表面残余拉应力和最大残余压应力减弱,增加预应力能够有效地减小表面残余拉应力和增大最大残余压应力.      

功能梯度材料V型缺口根部裂纹场强特性分析

为研究功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端附近的应力场强特性,讨论了指数型梯度材料的裂纹场强特点.以双边V型缺口试件为研究对象,建立试件的有限元分析模型.基于分层法分析静态载荷和阶跃冲击载荷下功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端的应力场强.研究结果表明:静载荷下,缺口根部裂纹前沿中面裂尖等效应力、位移及应力强度因子随着梯度参数β的增大而增大;应力强度因子K随张开角α的增大而减小,且在0°~60°之间减小缓慢,而在60°~90°之间减小程度明显,而在大于90°时随张开角α迅速减小.在冲击阶跃载荷下随着梯度参数β的增大,其动态应力强度因子值减小.     

植物叶片表面捕集气溶胶粒子特性数值分析

为研究单叶片植物表面捕集气溶胶粒子的效率与叶片长度、风速及迎风角的关系,采用数值方法在相似理论基础上求解描述植物叶片表面绕流特征的Navier-Stokes方程,考虑粒子布朗扩散和惯性碰撞捕集机理的联合作用,应用拉格朗日法追踪粒子运动轨迹信息,求解捕集机理联合作用下植物叶片表面粒子的捕集行为。由数值分析结果拟合出捕集效率与叶片长度、风速及迎风角度的关联式,并对迎风角、风速和粒径对捕集效率的影响进行分析。结果表明:无论是小粒子(d_p1.0μm)的扩散捕集还是大粒子(d_p1.0μm)的惯性捕集,风速、迎风角和粒径对捕集效率均有影响。对于小粒子,捕集效率随粒径、风速的增大而减小,迎风角对布朗扩散捕集效率的影响并不显著;对于大粒子,捕集效率随粒径、风速及迎风角的增大而增大。     

跌落冲击载荷下POP封装动力特性研究

基于JEDEC标准,采用ABAQUS软件建立了具有5个POP封装组件的三维有限元模型,通过试验验证了模型的准确性,讨论了PCB板阻尼、焊点形状、焊点材料及焊点直径对该封装组件在跌落冲击过程中动态响应的影响.结果表明：POP封装组件关键焊点的最大法向拉应力随PCB阻尼和焊点直径的增大而减小;截顶球形焊点最大法向拉应力都大于柱形焊点的最大法向拉应力;无铅焊料焊点最大拉应力大于锡铅焊料焊点最大拉应力,而对于无铅焊料,角焊点最大拉应力随着含锡量的增加而减小.     

低雷诺数下圆杆正方形塔架的阻力系数研究

通过节段模型风洞试验，研究雷诺数Re=307~906时圆杆正方形塔架的阻力系数，分析密实比、湍流度及风速等因素的影响. 在试验研究的基础上，对比3种雷诺平均模型在圆杆正方形塔架气动力CFD数值模拟中的适用性，分析Re=300~2.5×104时阻力系数变化规律及影响因素. 试验结果表明：圆杆正方形塔架的平均阻力系数在45°风向角时最大，0°和90°最小，并随密实比和风速的增大而减小，随湍流度的增大而增大；脉动阻力系数受密实比和风向角的影响不大，但随风速和湍流度的增大而增大. CFD数值结果显示：SST k-ω湍流模型在Re≤2.5×104时更适用于计算圆杆正方形塔架的平均阻力系数；随雷诺数的增大，塔架平均阻力系数在Re=300~585时急剧减小，Re=585~1 090时减小趋势少许放缓，Re=1 090~2.5×104时基本保持不变；完全处于上游杆件尾流区的下游杆件阻力系数相比于上游杆件减小50%左右.     

撞击位置与风扇转速对鸟撞过程的影响

鸟撞航空发动机风扇叶片严重威胁航空发动机的运行安全.对绿头鸭进行CT扫描,通过光滑粒子流体动力学(SPH)法建立绿头鸭真实鸟模型.将真实鸟模型及传统鸟体简化模型撞击平板仿真结果与Wilbeck真实鸟撞击平板试验结果对比,验证了真实鸟模型的准确性.对比分析了鸟撞静止风扇叶片与鸟撞旋转风扇叶片条件下鸟体及风扇叶片的瞬态冲击响应;选取836 r/min、1 984 r/min、3 344 r/min及3 772 r/min4个典型风扇转速研究了风扇转速对鸟撞过程的影响;分别选取1/6、2/6、3/6、4/6、5/6叶高位置为撞击位置,研究了撞击位置对鸟撞过程的影响.结果表明:叶片旋转对撞击过程中鸟体被切割块数、单个鸟块质量及受冲击叶片数量有直接影响,不考虑叶片旋转条件下的接触力、叶根应力、前缘应力等值明显低于考虑叶片旋转条件,使得对叶片应力及损伤预估偏保守,不利于叶片强度设计,因此在研究鸟撞过程中对叶片旋转运动应予以考虑.836 r/min转速下鸟体与叶片相互作用方式与其他转速有明显区别,836 r/min转速下鸟体动能减小,其他转速下鸟体动能增加,且鸟体动能增量随转速增大而增大;836 r/min转速下前缘应力峰值要大于1 984 r/min转速,其他转速下,前缘应力峰值随转速增加而增大;接触力、叶根应力随转速的增大而增大.随撞击高度的增加,在撞击点相对速度及叶片扭转角共同作用下,接触力、鸟体动能增量、叶根应力峰值、鸟体动能、叶片前缘应力均呈先增大后减小趋势,撞击3/6叶高位置时前缘峰值应力及鸟体动能增量最大,撞击4/6叶高位置时叶根峰值应力及接触力最大.