阐释风力大型直驱风力机多体动力学特性与仿生设计设计

论文导读：
摘要：随着风力机向着大型化与海上化进展，传统的带齿轮箱的风力机已经不能满足快速进展的风电市场需求。直驱风力机由于具有更高的稳定性、可维护性和成本效益，已经成为了风力机进展的主要方向。本论文对大型直驱风力机的动力学特性进行了分析与探讨，并借鉴棕榈科植物高柔顺性特性，对风力机仿生设计进行了初步的探索。鉴于直驱风力机结构之间的刚度分布特性，本论文把塔架和叶片看作柔性体，把传动链结构、轮毂等看作刚形体；在柔性体和刚形体坐标转换矩阵的基础上，引入薄壁梁单元变形论述，通过牵连坐标系转换，把直驱风力机任意点在局部坐标系下的位移方程，统一至广义惯性坐标系下，逐步推导得到风力机各主要部件的动能与势能表达式，最后运用拉格朗日方程，得到直驱风力机刚柔多体结构动力学方程。在此基础上，建立1.5MW直驱风力机三维实体模型，借助数值仿真计算办法，对该型号风力机主要部件及整机进行固有特性分析，并探讨风力机主要部件之间的耦合特性，结果表明：该1.5MW直驱风力各主要结构之间没有出现危险的耦合共振的状况，该设计成功实现了动力学解耦。此外，本论文分析风轮转速对风力机动态特性的影响时，发现随着转速增大，动力刚化效应越显著，由此，倡议直驱风力机动力学设计必须考虑动力刚化效应。同时，考虑到海上风力机与沿海一带棕榈科植物结构与工况的相似性，通过实验办法得到植物树干的层合结构特征、刚度与质量分布特性，把该特性应用到大型塔架结构的屈曲稳定性探讨和轻量化设计，数值计算结果表明：仿生设计的塔架具有良好的屈曲特性，并且单位质量受载能力提升了126.82%。最后，从植物模态实验为主、数值计算为辅的办法，探讨一株3m高大王椰子树的动态特性及共振能力释放机理。本论文认为，可从尝试把该机理运用到直驱风力机设计中：即当风力机受到低阶频率的激励而发生共振时，可从由单个叶片的摆阵或者扭转来释放能量；当受到高阶频率的激励而发生共振时，则由不同叶片之间或者叶片与塔架之间恰当的联合矢量变形来卸载能量，但前提是要求塔架和叶片具有较高的柔顺性，从恰当的弹性变形来转移共振能量，维护风力机整体结构的稳定性。最后，把仿生塔架运用到大型直驱风力机，发现仿生塔架能明显降低风力机共振能量。关键词：刚柔多系统统论文直驱风力机论文动态特性论文仿生设计论文
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ABSTRACT6-11
第一章 绪论11-20

1.1 引言11-13

1.2 直驱风力机概述13-15

1.2.1 直驱风力机的结构特点13-14

1.2.2 海上直驱风力机市场14-15

1.3 直驱风力机的探讨近况15-17

1.3.1 国内外探讨近况15-16

1.3.2 风力机的仿生设计探讨近况16-17

1.4 课题的来源及探讨作用17-18

1.4.1 课题的来源17

1.4.2 课题的探讨作用17-18

1.5 论文的主要探讨内容18-20

第二章 直驱风力机多体动力学论述20-35

2.1 引言20

2.2 直驱风力机多系统统建模20-31

2.1 坐标系转换矩阵20-22

2.2 薄壁梁的位移方程22-23

2.3 薄壁梁有限单元算法23-25

2.4 风轮转子建模25-27

2.5 塔架建模27-28

2.6 支撑机舱建模28-29

2.7 传动链建模29

2.8 外加载荷工况29-31

2.9 动力学制约方程31

2.3 动力刚化效应31-34

2.3.1 传统建模办法的局限31-32

2.3.2 动力刚化实例32-34

2.4 本章小结34-35

第三章 基于幂律分布的风力机塔架屈曲设计35-53

3.1 塔架屈曲稳定性概述35

3.2 大王椰子树干实验探讨35-38

3.

2.1 显微结构实验36-37

3.

2.2 力学性能测试37-38

3.3 塔架的仿生设计38-41

3.1 材料设计39

3.2 屈曲力基本方程39-41

3.4 数值结果与讨论41-51

3.4.1 PLD 塔架的屈曲特性41-43

3.4.2 相对厚度对屈曲特性的影响43-44

3.4.3 相对刚度对屈曲特性的影响44-45

3.4.4 塔架锥角对屈曲特性的影响45-46

3.4.5 中间层加强论文导读：

筋对塔架屈曲特性的影响46-50

3.4.6 PLD 和加强筋对屈曲特性的耦合影响50-51

3.5 成本效益分析51-52

3.6 本章结论52-53

第四章 大型直驱风力机结构动力学特性探讨53-71

4.1 兆瓦级直驱风力机设计53-56

4.

1.1 直驱传动体系设计53-54

4.

1.2 5 MW 直驱风力机模型54-56

4.2 直驱风力机动力学模型56-57
4.

2.1 风力机输出扭矩56-57

4.

2.2 塔影效应57

4.3 直驱风力机固有特性探讨57-65
4.

3.1 传动链固有特性58-63

4.

3.2 直驱风力机固有特性63-65

4.4 直驱风力机耦合振动特性探讨65-68

4.1 传动链子结构之间的耦合振动66

4.2 叶片与塔架的耦合振动66-67

4.3 风力机整体的耦合振动67-68

4.5 直驱风力机的动力刚化效应68-69

4.6 本章小结69-71

第五章 直驱风力机结构动态特性仿生实验探讨71-88

5.1 直驱风力机仿生可行性71-72

5.2 结构动力学测试基础72-75

5.

2.1 实验模态概要72-73

5.

2.2 信号处理73-75

5.3 植物结构动态特性实验75-82
5.

3.1 模态测试75-80

5.

3.2 随机响应测试80-82

5.4 实验误差分析82-83

5.5 直驱风力机结构仿生机理83-86

5.1 结构仿生思想概述83-84

5.2 基于 PLD 塔架的风力机动态特性84-86

5.6 本章小结86-88

结论与展望88-90
参考文献90-96
攻读硕士学位期间发表的论文96-97
致谢97-98
附件98