【摘 要】
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近年来世界能源结构不合理日益显现,尤其是工业快速的发展相对应能源迅速消耗所带来的能源储备和环境污染的问题,能源结构的成功改革成为日后可持续发展的关键。再者,我国建设海上丝绸之路和海洋命运共同体的提出,海上活动日益频繁,海洋资源开发的重视也随之日益增加。本课题基于我国近海海域的波浪能资源现实,研究分析了一种适用于我国近海海域的海浪发电系统,此系统具备少自由度的特点,且利用共振原理,将海浪的几个方向的
【基金项目】
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国家自然科学基金“面向波浪振动的弹性并联俘能机构非线性动力学分析与研究(51775166)”;
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近年来世界能源结构不合理日益显现,尤其是工业快速的发展相对应能源迅速消耗所带来的能源储备和环境污染的问题,能源结构的成功改革成为日后可持续发展的关键。再者,我国建设海上丝绸之路和海洋命运共同体的提出,海上活动日益频繁,海洋资源开发的重视也随之日益增加。本课题基于我国近海海域的波浪能资源现实,研究分析了一种适用于我国近海海域的海浪发电系统,此系统具备少自由度的特点,且利用共振原理,将海浪的几个方向的波浪能高效率的转换发电。首先,介绍了目前国内外海浪能的资源分布和国内外波浪发电系统技术的发展。在此基础上介绍了目前的最为广泛使用典型波浪理论研究和应用,讲述了微幅波理论的基础方程与公式,结合弗洛德—克雷洛夫(Froude-Krylov)假定法,计算了转换效率较高的圆柱体式浮子波浪力,得到了浮子吃水深度、垂直位移和所受波浪力的仿真结果。与此同时,基于三维势流理论对浮子进行水动力分析,进一步验证了浮子结构设计在不同波浪载荷工况下的合理性。其次,结合Solid Works软件绘制的系统三维模型介绍了海浪发电系统的结构特点,海浪发电系统主要包括振动系统、气动系统和电气系统,并分析了该海浪发电系统工作原理;振动系统为本文的主要研究对象,利用共振原理提高海浪发电的目的,振动系统的运动执行机构采用两个并联结构串联的混联机构。然后,结合对振动系统建立的振动模型,对其进行振动分析,得到了其数学模型和共振系统的稳态解,结合该海浪发电系统的相关数据,求出了振动系统的幅频响应关系,确定系统阻尼系数和弹簧的弹性系数,并利用ANSYS Workbench软件对浮子进行了有限元分析,得到其二阶模态和振型,验证了结构设计的合理性;对海浪发电系统的运动执行机构进行了机构的运动学分析,得到了机构的正反解,进而利用MATLAB软件对机构运动的速度、加速度和机构的运动空间进行了仿真分析;同时,还利用ADAMS得到了各个支链的运动角度变化。最后,对海浪发电系统进行了机构的动力学分析,通过对机构的动力学方程求解,得到了动平台和直线永磁发电机的动能和势能,进一步利用ADAMS动力学软件得到振动系统运动执行机构中铰链所承受力的变化曲线,以及执行机构中的各个铰链所承受的力呈周期变化,并验证了其都在铰链合理的承受范围内,具有一定的工程应用价值。
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