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《太原科技大学》 2016年
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风力机叶片层合阻尼结构建模及抑颤研究

赵树萍  
【摘要】:在全球环境危机和能源危机日益严重的背景下,风能作为一种清洁的可再生能源,已成为当今世界新能源的发展潮流。为提高风力发电机(简称“风力机”)的风能捕捉效率,降低单位发电成本,风力机正朝着大型化的方向发展。然而,随着现代风力机的大型化,其叶片也越来越“柔细”化。在风场气动力、弹性及惯性力相互作用下,叶片各模态之间易发生振动耦合,产生气弹不稳定的颤振现象。叶片的颤振会对风力机的运转产生不利影响,其引发的交变应力可致使叶片开裂,严重时发生断裂损坏。针对上述问题,本研究在风力机叶片中采用层合阻尼结构,使叶片的颤振能通过粘弹性高分子材料的内摩擦转变成热能逸散于周围环境中,从而有效地降低叶片的颤振强度。本文首先从结构动力学出发分析了风力机叶片经典颤振的机理,在此基础上将层合阻尼结构(约束阻尼结构和共固化阻尼结构)应用于叶片,基于能量法建立了层合阻尼叶片的动力学模型,根据模态应变能法推导出阻尼叶片结构损耗因子的表达式,并采用混合单元法在ANSYS中建立了某型1.5 MW层合阻尼叶片的三维有限元模型;然后通过Newmark直接积分法分析对比了普通叶片与层合阻尼叶片在额定风速与极限风速下的动力响应;最后探讨了阻尼层厚度、模量与复合材料的偏轴纤维角对共固化阻尼叶片结构损耗因子的影响。结果表明,相同的环境下,与普通叶片相比,层合阻尼叶片的抑颤能力显著提高,且阻尼叶片内部载荷大幅降低,极大地改善了叶片的疲劳性能,提高了叶片在极限载荷下的气弹稳定性;为增大层合阻尼叶片的结构损耗因子,除了选择适当的阻尼层材料和厚度,还可以采用60°的偏轴纤维角。
【学位授予单位】:太原科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM315

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