【正文】 性，故不具體展開分析。仿照兩種柔性鉸鏈各自的結(jié)構(gòu)特點，下面分別設(shè)計了兩種柔性連接機(jī)構(gòu)。圓弧型柔性鉸鏈的優(yōu)點在于運(yùn)動精度較高，但其運(yùn)動行程受到很大限制，只能實現(xiàn)極其微小程度的轉(zhuǎn)動。 本章嘗試把柔性鉸鏈運(yùn)用在大型風(fēng)力機(jī)上，仿照其結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計葉片與輪轂之間的柔性連接機(jī)構(gòu)，把剛性連接轉(zhuǎn)換為柔性連接，實現(xiàn)柔性風(fēng)力機(jī)的運(yùn)動要求。但目前柔性鉸鏈主要應(yīng)用在微機(jī)械領(lǐng)域，大型化場合的應(yīng)用極少。賈明和畢樹生等[25]針對橡膠材料制成的大變形柔性鉸鏈，運(yùn)用MooneyRivlin模型對形變能量函數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕缓笸ㄟ^選取材料常數(shù)的比值，對其非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了分段線性化，導(dǎo)出了圓弧型柔性鉸鏈在大變形時其轉(zhuǎn)角剛度的近似計算公式，并通過有限元仿真進(jìn)行了驗證。與傳統(tǒng)的微位移柔性鉸鏈相比，大變形柔性鉸鏈的設(shè)計是目前進(jìn)行該領(lǐng)域研究的熱點之一。譚淑英和張大衛(wèi)等[22]根據(jù)材料力學(xué)知識推出了彈性鉸鏈的剛度公式，并通過有限元軟件進(jìn)行了鉸鏈的應(yīng)力校驗和剛度校核。人們在通過對各種各樣的彈性支承進(jìn)行了大量的試驗探索后，才逐步制造出體積小、無機(jī)械摩擦、無機(jī)械間隙的柔性鉸鏈。 本章小結(jié) 本章首先簡單介紹了目前在風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)研究方面形成的四個基本理論——貝茨理論、渦流理論、葉素理論、動量理論，然后從運(yùn)動方程和數(shù)值方法兩方面介紹了風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)，最后由經(jīng)過修正后的葉素動量（BEM）理論對錐形轉(zhuǎn)子的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行了簡單分析，為后面柔性連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計及整機(jī)的靜態(tài)特性分析準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。 錐形轉(zhuǎn)子的確給傳統(tǒng)定義的葉尖速比λ、CP和CT引入了一種不明確，可以基于錐形轉(zhuǎn)子實際的葉尖半徑Ractual，或者非錐形轉(zhuǎn)子的參考半徑Rref，見公式（229）。由文獻(xiàn)[20]所展示的改進(jìn)后的公式并運(yùn)用于目前的研究工作中可以看出，BEM的假設(shè)對于錐形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來說并不是完全錯誤的。 錐形轉(zhuǎn)子的空氣動力學(xué)性能 葉素動量（BEM）理論仍然是主要的風(fēng)力機(jī)設(shè)計工具，鑒于其成本與必需的空氣彈性變形仿真中更加詳細(xì)的方法有關(guān)，這些仿真作為證明是必須執(zhí)行的。再代入到方程（224）中就可得到葉片、機(jī)艙和塔架系統(tǒng)的運(yùn)動方程： （226） 其中，[M]、[D]、[K]分別表示質(zhì)量、阻尼與剛度矩陣，{}，{}，{y}和{Q}分別表示加速度、速度、位移以及廣義力。 基于上述慣性坐標(biāo)系以及各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，運(yùn)用假設(shè)模態(tài)求和法，可把各個自由度的變形量用模態(tài)與廣義坐標(biāo)的乘積之和來表示： r(x, t) = γ1(x)y1(t) + γ2(x)y2(t) + γ3(x)y3(t) （225） 其中，γi(x)是模態(tài)，yi(t)是廣義坐標(biāo)。 圖26 各坐標(biāo)系間的關(guān)系 為了從方程（224）得到葉片、機(jī)艙和塔架系統(tǒng)的運(yùn)動方程，在各種變形條件下得出風(fēng)力機(jī)各部件上任意點的相對速度的關(guān)系式，必須進(jìn)行一系列坐標(biāo)變換，其坐標(biāo)系如圖26所示。同樣地，氣流相對風(fēng)輪的切向速度也并非Ωr，而是多了另外一項bΩr，這就是切向誘導(dǎo)速度。 誘導(dǎo)速度因子的物理意義就是當(dāng)有氣流流過風(fēng)輪時，風(fēng)輪對其速度的影響程度。這里假定每個微段之間都沒有干擾，每個葉素上所受的力只由葉素翼型的升阻特性來決定，葉素本身可以看成一個二元翼型，此時，將作用在每個葉素上的力和力矩沿翼展方向積分，就可以求得作用在風(fēng)輪上的力和力矩，如圖25所示[14]。相對于動量理論，葉素理論是從葉素附近的氣流流動來分析葉片上的受力與功能交換的。類似地，定義a′=ω/(2Ω) 為切向速度誘導(dǎo)因子，其中ω為槳葉面內(nèi)風(fēng)的角速度，則可得轉(zhuǎn)矩Q為 （215） 式中，R槳葉面半徑。 圖24 理想流管 考慮到軸向上動量的改變，在槳葉面的推力T為 T=m(V1V2)=ρV1A(V1V2) （212） 式中，ρ空氣密度； A槳葉平面面積。 因此，在風(fēng)輪半徑等于r處氣流的切向速度為 U=(1+b)Ωr （211） 動量理論 動量理論主要用于估算輸出功率、氣流流速和效率。從而渦流風(fēng)速可以判斷為下列三個渦流系統(tǒng)疊加而成的結(jié)果：葉片的附著渦、集中在轉(zhuǎn)軸上的中心渦和葉片尖部形成的螺旋渦，如圖23所示[14]。在實際工程設(shè)計時，根據(jù)葉片翼型、葉片數(shù)量、輸出功率等情況，來進(jìn)行葉片的初步設(shè)計。通過風(fēng)輪的氣流在風(fēng)輪前方時的截面積為S1，在其后方時為S2[14]。此外，他還假設(shè)在整個風(fēng)輪掃掠面上的氣流都是均勻分布的，氣流速度無論是在風(fēng)輪前后還是在通過風(fēng)輪時都是沿著其軸線方向的。他假設(shè)風(fēng)輪是理想的，忽略了輪轂的干擾，且葉片數(shù)是無窮的，并且其對通過風(fēng)輪的氣流沒有阻力。在工程上較為廣泛應(yīng)用的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計模型——Schmitz模型、簡化設(shè)計模型、Wilson模型和Glauert模型等都是基于某個理論基礎(chǔ)上的[14]。對風(fēng)力機(jī)輪轂、機(jī)艙、傳動系統(tǒng)和塔架等進(jìn)行簡化，利用三維建模軟件SolidWorks對整機(jī)進(jìn)行建模與裝配，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench ，得出其相關(guān)靜態(tài)特性，并與傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行對比，對其對比結(jié)果進(jìn)行討論。對于一種最終確定的方案，通過相關(guān)變形理論對其運(yùn)動過程進(jìn)行分析，得出其運(yùn)動軌跡曲線，進(jìn)行強(qiáng)度校核和相關(guān)計算，并用有限元分析軟件ANSYS Workbench 。為了不增加整體機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)輪轂，對應(yīng)葉片與輪轂的連接部分，尋找合適的材料，查閱相關(guān)變形理論，設(shè)計柔性連接機(jī)構(gòu)，提出至少兩個方案并對其進(jìn)行比較論證，最終確定方案。但是，傳統(tǒng)的柔性鉸鏈只適合用在微位移機(jī)構(gòu)上，所以必須對其材料和結(jié)構(gòu)等進(jìn)行改造，并找到合適的變形理論。本設(shè)計采用傘形風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，通過在葉片和輪轂之間的柔性連接機(jī)構(gòu)，可以實現(xiàn)葉片受到不同風(fēng)載時的自適應(yīng)張合。所以很有必要選擇一種柔性連接機(jī)構(gòu)來取代傳統(tǒng)的剛性連接，使葉片對于風(fēng)載具有自適應(yīng)性，當(dāng)風(fēng)速較大時向前合攏；當(dāng)風(fēng)速較小時向后張開，通過控制受風(fēng)面積來穩(wěn)定功率輸出，增長葉片和輪轂等風(fēng)力機(jī)部件的壽命，減少維修成本，提高風(fēng)能的利用率。風(fēng)能作為一種儲量豐富、容易獲取的清潔能源可以作為其替代品，具有廣泛的發(fā)展前景。時其性能得到明顯的改善[3]。、20176。Liu等采用輕而軟的泡沫材料制作了小型的下風(fēng)向錐形轉(zhuǎn)子模型， m，翼型使用NACA0018， m，在錐角分別為0176。其研究數(shù)據(jù)說明，傘形風(fēng)輪可以顯著提高風(fēng)能的利用效率，減小風(fēng)能的發(fā)電成本[13]。其研究數(shù)據(jù)說明，與常規(guī)風(fēng)力機(jī)相比，直徑相同的風(fēng)輪，其最小啟動風(fēng)速可從4 m/s降到3 m/s，承受極限載荷的能力最高可以達(dá)到70 m/s，其力矩、軸向推力和輸出功率都可通過其錐形角的變化來進(jìn)行控制。由于柔性風(fēng)輪良好的性價比和對風(fēng)載變化的寬適應(yīng)性，仍有不少學(xué)者畢生致力于該領(lǐng)域的研究。風(fēng)輪轉(zhuǎn)子可以在旋轉(zhuǎn)的過程中通過不斷改變槳葉的張合角度來捕獲能量，穩(wěn)定功率輸出，保護(hù)風(fēng)力機(jī)部件。鉸鏈?zhǔn)捷嗇灣Ｓ糜陔p葉片風(fēng)輪，是一種半固定式的輪轂，鉸鏈軸與葉片的長度方向及風(fēng)輪軸互相垂直，就像個半方向聯(lián)軸節(jié)，如圖13所示[8]。其結(jié)構(gòu)一般采用錐體式，在整個旋轉(zhuǎn)的過程中，離心力F和空氣動力S產(chǎn)生的軸向推力都是呈周期性變化的。 圖11 傘形風(fēng)輪結(jié)構(gòu)示意圖 因其制造成本低，沒有磨損而且維護(hù)成本少，三葉片風(fēng)輪大部分采用固定的輪轂，但它要承受來自風(fēng)輪的力和力矩，機(jī)械承載大，承受載荷高。當(dāng)受到風(fēng)載時，鉸鏈?zhǔn)谷~片沿著錐角減小的方向進(jìn)行合攏變形，使葉片由彎曲梁變成受拉桿，以此達(dá)到一種離心力與空氣動力平衡的狀態(tài)。 傘形風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)簡介 傘形風(fēng)力機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特征如圖11所示[7]。錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計目的在于捕獲更多的能量，同時使整體的結(jié)構(gòu)更輕（成本更?。铒@著的特點就在于減少能量成本（COE）上。當(dāng)葉片受到陣風(fēng)或極限風(fēng)載時，其結(jié)構(gòu)與功率輸出的不穩(wěn)定性難會使葉片上產(chǎn)生嚴(yán)重的瞬時載荷，導(dǎo)致嚴(yán)重的失效，破壞后果不堪設(shè)想。 發(fā)展到現(xiàn)在，通過增加其可靠性或減小負(fù)載來降低其結(jié)構(gòu)成本已成為風(fēng)力機(jī)設(shè)計的主要目的。 傘形風(fēng)力機(jī)概述 傘形風(fēng)力機(jī)研究目的 風(fēng)力機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了從小中型化向大型化再到柔性化的轉(zhuǎn)變過程。據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會相關(guān)統(tǒng)計表明，截止至1989年底，風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大單機(jī)裝機(jī)容量為300 kW，直徑為30 m。 由于化石能源的逐漸消耗，能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出。風(fēng)能發(fā)電的技術(shù)從70年代早期開始不斷地改進(jìn)，到了20世紀(jì)末，全球范圍內(nèi)利用風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量幾乎每三年就會翻一番，其成本也比80年代初大約下降了1/6。 Modal Analysis目 錄 摘 要 ....................................................................................................................... Ⅰ Abstract ....................................................................................................................... Ⅱ 第一章 緒論 ................................................................................................................. 1 引言.................................................................................................................. 1 傘形風(fēng)力機(jī)概述.............................................................................................. 1 傘形風(fēng)力機(jī)研究目的............................................................................ 1 傘形風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)簡介............................................................................ 2 傘形風(fēng)力機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.......................................................................... 5 課題的研究意義.............................................................................................. 5 課題的主要研究內(nèi)容...................................................................................... 6 第二章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)動力學(xué)理論 ................................................................................. 7 風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué).......................................................................................... 7 貝茨理論................................................................................................ 7 渦流理論................................................................................................ 9 動量理論................................................................................................ 9 葉素理論.............................................................................................. 10 風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)........................................................................................ 12 錐形轉(zhuǎn)子的空氣動力學(xué)性能........................................................................ 13 本章小結(jié)........................................................................................................ 14 第三章 傘形風(fēng)輪柔性連接機(jī)構(gòu)設(shè)計 ....................................................................... 15 柔性鉸鏈簡介................................................................................................ 15 柔性連接機(jī)構(gòu)方案設(shè)計................................................................................ 16 設(shè)計方案一.................