风电叶片两点疲劳加载试验系统振动耦合机理研究

【摘要】：为了在设计阶段确定叶片的疲劳薄弱部位及疲劳性能,需要对风电叶片进行疲劳测试。目前国内采取的主要测试方法为单点疲劳加载,但单点疲劳加载测试方法存在疲劳寿命检测结果失真、驱动力不足等缺点。针对单点疲劳加载的不足之处,本文提出风电叶片两点疲劳加载测试新方法,设计了一套风电叶片两点疲劳加载测试系统。主要研究内容有:首先建立风电叶片两点疲劳加载振动系统的机电耦合数学模型:在分析异步电动机绕组关系的基础上,利用坐标变换简化三相异步电动机的数学模型,建立异步电动机在两相旋转坐标系下的状态方程;利用拉格朗日方程法建立风电叶片两点疲劳加载振动机械系统的微分方程;联立上述三相异步电动机状态方程和振动机械系统微分方程,得到风电叶片两点疲劳加载振动系统的机电耦合数学模型,并得出影响振动系统耦合特性的因素主要为初始相位差、两套疲劳加载系统的安装位置、偏心质量块的偏心矩、电动机转速、叶片各个方向的刚度和阻尼、电动机的机械特性等。其次依据振动系统的机电耦合数学模型,建立其在MATLAB/Simulink仿真软件环境下的动态仿真模型。在不同初始相位差、不同电动机转速、不同安装位置等条件的影响下,对振动系统的振动耦合过程进行数值仿真,得到各影响因素对振动系统耦合过程的影响效果和规律。最后搭建了一套风电叶片两点疲劳加载测试装备,以某型号小叶片为对象,利用现场试验对各个影响因素的影响效果进行验证。通过试验发现,现场试验结果与数值仿真结果基本一致,验证了仿真模型的准确性,并进一步验证了本文所建立的风电叶片两点疲劳加载振动系统机电耦合数学模型的准确性。该模型能较好地表达振动机械系统和电机激振系统之间的振动耦合本质,以及基于叶片柔性连接的两加载源之间的振动耦合本质。 【关键词】：风电叶片 机电耦合 数学模型 数值仿真 疲劳加载试验
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 课题研究背景9-12
• 1.1.1 全球风力发电发展现状9
• 1.1.2 风电叶片的检测9-12
• 1.2 两加载源振动耦合机理及国内外研究现状12-13
• 1.3 课题研究的主要内容和技术路线13-15
• 第二章 风电叶片两点疲劳加载测试系统设计15-21
• 2.1 风电叶片两点疲劳加载测试系统的组成15-16
• 2.2 主要参数的采集与处理方法16-19
• 2.3 控制与数据采集系统19-20
• 2.4 本章小结20-21
• 第三章 风电叶片两点疲劳加载测试系统机电耦合数学模型与仿真模型21-36
• 3.1 三相异步电动机的数学模型与仿真模型21-31
• 3.1.1 异步电动机的工作原理21-22
• 3.1.2 三相异步电动机的动态数学模型22-24
• 3.1.3 三相异步电动机数学模型的简化24-28
• 3.1.4 三相异步电动机在两相旋转坐标系下的动态数学模型28
• 3.1.5 Matlab/simulink软件环境下电动机的仿真模型28-31
• 3.2 风电叶片两点疲劳振动机械系统数学模型31-35
• 3.2.1 振动耦合系统的建模方法31-32
• 3.2.2 风电叶片两点加载振动系统动力学分析32-34
• 3.2.3 风电叶片两点加载振动系统仿真模型34-35
• 3.3 本章小结35-36
• 第四章 风电叶片两点疲劳加载试验系统仿真分析36-48
• 4.1 不同因素对系统耦合过程的影响36-46
• 4.1.1 标准条件下振动系统的耦合过程36-38
• 4.1.2 不同电动机转速下振动系统的耦合过程38-39
• 4.1.3 不同初始相位差下振动系统的耦合过程39-42
• 4.1.4 不同安装位置下振动系统的耦合过程42-45
• 4.1.5 两电动机转速不同时振动系统的耦合过程45-46
• 4.2 仿真试验结论46-47
• 4.3 本章小结47-48
• 第五章 风电叶片两点疲劳加载现场试验48-54
• 5.1 风电叶片两点疲劳加载试验装置48-50
• 5.2 实验结果分析50-53
• 5.3 本章小结53-54
• 第六章 总结与展望54-56
• 6.1 总结54-55
• 6.2 展望55-56
• 参考文献56-59
• 攻读硕士期间发表的科研成果59-60
• 致谢60

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