高风速下马格努斯风力机叶片动力学建模与主动控制研究

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马格努斯风力机是一种新型的基于空气动力学中马格努斯效应的风力机,对应于高于额定风速而低于切出风速的风速段,其研究的侧重点是强风载荷下的动力学以及疲劳破坏问题。研究内容包括:圆柱叶片的升力计算、叶片结构的动力学建模/仿真与实验研究、叶片振动主动控制等。  首先,根据风力机叶片空气动力学的基础包括:贝兹理论、动量理论、叶素理论等,推导出了马格努斯圆柱型叶片的空气动力学模型,证明了同样风速下马格努斯风力机叶片升力相对传统叶片的升力较大。  其次,利用有限元方法对马格努斯空心圆柱桨叶叶片的动力学特性进行了初步的理论建模,分析计算了其单元质量矩阵和刚度矩阵,建立了运动学方程,编制了MATLAB程序,计算了20个单元内的频率等相关参数,绘制了前四阶振型图;通过将叶片简化为悬臂梁,设计了叶片振动的实验流程,进行了简单的振动实验和分析;通过使用德国M+P公司的VibControl振动控制与分析系统获得了叶片的频响曲线;通过与实验的比较,证明了应用有限元方法对叶片建立的动力学模型是正确的。  再次,通过建立风力机圆柱桨叶叶片的振动微分方程,通过压电致动器模型,建立了叶片的状态空间的控制方程,并设计了振动控制器;通过MATLAB仿真,证明了闭环控制下收敛速度明显提升。  最后,在考虑压电基体对叶片影响的前提下,根据Hamilton变分原理,建立了马格努斯风力机圆柱叶片的动力学有限元方程。在考虑压电层影响情况下,研究了叶片的固有频率和振型的变化规律,得出了其变化主要受到压电层的刚度效应和质量效应的影响的结论。
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