建立了椭圆齿轮副的弯扭耦合模型,包含齿面摩擦、时变刚度、阻尼、齿侧间隙等因素;选取不同的参数,采用4~5步长Runge-Kutta数值方法求解,分析了椭圆齿轮副的非线性动态特性。由分析可知,当转速较低时,椭圆齿轮系统处于单周期,运动稳定且有规律,转速的增大使其存在拟周期和不稳定、无规则的混沌运动交替出现的现象;摩擦因数和阻尼比的增大能使系统的运动更稳定;而时变啮合刚度系数和偏心率的增大则会使系统的运动更不稳定。

以带有尾缘襟翼的NREL 5 MW参考风力机为研究对象,综合考虑非定常气动力、气动阻尼和弯扭耦合等因素,建立了改进的智能叶片气弹模型,并与FAST平台进行仿真对比。基于径向基函数(RBF)神经网络自适应比例、积分、微分(PID)方法设计了尾缘襟翼主动控制器,在标准湍流风况下对叶尖偏移量进行仿真控制。结果表明:改进气弹模型的准确度较高;尾缘襟翼主动控制方法可有效减小叶尖偏移量的波动。

为设计具有优良弯扭耦合性能的风力机叶片,基于复合材料铺层实现叶片气动弹性剪裁,建立全尺寸三维5MW风力机叶片有限元壳模型,通过CFD方法加载叶片表面气动载荷,采用节点位移法分析铺层结构对弯扭耦合叶片整体性能的影响。结果表明:镜像对称铺层结构可实现叶片弯扭耦合;在气动载荷作用下,叶片出现弯曲和扭转变形,沿叶片展向弯扭耦合变形量增加,且与截面相对位置呈非线性关系;随着蒙皮偏轴夹角的增大,弯扭耦合系数先增大后减小,叶片弯扭耦合性能随蒙皮偏轴夹角的变化而改变,存在最优解。

为分析弯扭耦合叶片的力学性能,基于三维建模软件NX二次开发建立NREL 5 MW风力机叶片壳体模型,进一步对叶片进行复合材料铺层设计,通过镜像偏置主梁纤维实现叶片气动弹性剪裁,采用CFD方法计算叶片表面压力分布,结合有限元方法对其进行模态、静力学及屈曲计算,以研究主梁偏置角度对弯扭耦合叶片力学性能的影响。结果表明当主梁偏置角度较小时,弯扭耦合叶片表面最大应力小于传统叶片,其中以偏置角度为-15°时效果最佳,表面最大应力降幅最高为14.78%;相比传统叶片,弯扭耦合叶片各阶固有频率及屈曲因子均有所降低,且正向与反向偏置同角度的叶片固有频率和屈曲因子下降量较接近,主梁偏轴镜像铺设对叶片挥舞振动影响较大;主梁偏置角度对叶片抗屈曲能力产生一定影响,叶片临界屈曲载荷最大降幅约为78%;应重点关注弯扭耦合叶片固有频率及屈曲因...

为解决弯扭耦合复合材料薄壁叶片的发散不稳定问题,阐述了风力机叶片准稳态响应及基于回路传输恢复的LQG（LQG with Loop Transfer Recovery,LLTR）理论控制过程。叶片结构模型是基于周向反对称刚度铺层的复合材料薄壁单闭室翼型;翼型的中线轨迹是S809Ⅱ翼型型线。从直升机叶片的失速气动力模型中提取了一种准稳态气动力模型,经过修正后适合于风力机叶片经典颤振和失速颤振临界状态的研究。分别详细研究了基于输入端回路传输恢复及输出端回路传输恢复两种情况下的LLTR控制,并通过弯扭时域响应和控制器响应的数字仿真比较以及奇异值伯德图曲线对比,论证了LLTR控制算法的稳定性及在颤振抑制方面的优越性。控制算法的实时效应也通过半实物仿真实验平台得到了检验。

曲轴作为压缩机的关键部件,其振动形式复杂且相互耦合。针对曲轴旋转时弯曲刚度不断变化的特性,给出了变刚度的曲轴振动模型,推导了弯扭耦合振动的非线性微分方程组并应用多尺度法求解。求解结果和曲轴实例分析表明,由于变刚度的影响,曲轴的弯曲、扭转振动发生更大振幅的耦合振动。相比定刚度解,变刚度曲轴的轴心轨迹波动、弯曲振动振幅明显增大。在扭转振动主共振时,弯曲振动也出现较大振幅,忽略变刚度因素,将造成较大的误差。

为研究齿面摩擦影响下的齿轮分岔特性,基于集中参数理论,考虑了齿面摩擦、时变啮合刚度及齿侧间隙等非线性因素,建立了齿轮副6自由度的弯扭耦合振动模型;采用Runge-Kutta数值方法对模型进行求解,分析了随各种参数变化时,齿面摩擦对系统分岔特性的影响。结果表明,随着转速的增加,无齿面摩擦时混沌特性表现明显,且随着齿面摩擦的增大,系统混沌区域外部的分岔会带动混沌区域内部的分岔;随着齿侧间隙的增大,无齿面摩擦时系统振幅不断增大,且随着齿面摩擦的增大,混沌状态受到抑制;随齿面摩擦的增加,混沌区域的分块趋势和抑制效果随阻尼系数增大更加显著。

以直齿轮副为研究对象,建立了包含时变啮合刚度、综合误差、齿侧间隙和输入转矩等因素的6自由度弯扭耦合非线性振动模型。结合分岔图和庞加莱映射图,研究了齿侧间隙、输入转矩以及二者耦合作用和主、从动轮轴承支撑刚度对系统振动特性的影响。研究表明,输入转矩一定时,随着齿侧间隙不断增大,系统通过分岔和激变从单周期响应过渡到混沌;齿侧间隙一定时,随着输入转矩不断增大,系统通过倒分岔和激变从混沌过渡到单周期响应;当输入转矩较大时,齿侧间隙对系统响应影响很小;支撑刚度较大系统响应稳定,并且从动轮轴承支撑刚度对系统振动特性影响较大。