风阻能发电装置叶片的动力学仿真

摘要：风阻能发电装置是利用物体移动过程中产生的风阻能转化为机械能，带动发电机发电，使无效的灯组能得到了利用，维克高速移动的物体开辟了能源利用的新方法。本文是借助ADAMS动力学分析软件来模拟叶片的工作情况，先通过SW进行建模，然后导入ADAMS。通过综合研究的能效。获得风阻能发电的一般规律，为进一步综合开发利用风阻装置打下基础。

关键字：风阻能；SOILWORKS;仿真；叶片

1 前言

在太阳的照射下，各个地方的空气因受热不均匀而发生流动，便产生了风，风能实际上就是空气的动能，是一种取之不竭的能源。风能发电的发展在世界工业史上的发展历程是很短暂的，但是他的发展速度是很迅速的，技术上的进步不能不让人叹服，有人算过只需地面风力的1%，就可以满足全球发电的需要，风能是一种清洁无公害的可再生能源，这样一个巨大的电力资源宝库也是当今世界技术发展的潮流和趋势。

任何物体在行驶中由于空气阻力的作用，围绕着物体重心同时产生纵向、侧向、垂直等三个方向的空气动力量，其中纵向空气力量是最大的空气阻力，约占80%，如果将此阻力加以利用僵尸一场新的新的能源革命，本文研究的是在高速风况下，通过叶片三位实体建模，虚拟仿真反映出风阻能发电的一般规律。采用SOILDWORKS建模，ADAMS仿真，大大节约了涉及费用和设计周期，省去了现场风洞实验并能很好地输出叶片的各种工作性能，研究结果可以应用于车辆的电力输入系统，从而达到车辆节油的目的，意义重大，研究方法和解释的规律具有一般性，可以推广应用于各种车辆，具有良好的经济型和广泛的社会意义。

2 叶片的建模

2.1叶片零件建模

SW是常用的三维软件绘制工具，第一步实现零件图的绘制。我把整个叶片系统分为两个部分，第一部分是其他零件，第二部分是叶片。如下图：

图一左边是其他零件，右边是叶片

2.2 SW建立叶片的装配模型

打开SW建模软件，菜单栏中选择文件，选择新建文件，点击新建装配体，进入装配体页面，在工具栏中选择加入零部件，将零部件导入装配体页面中，按照约束类型进行配合。如下图：

图二叶片装配图

3 仿真模型的实现

通过ADAMS/processing模块的处理，在叶片上加上旋转副，设置驱动进行仿真处理。如下图：

图三叶片仿真图

由于机械系统动力学自动分析软件ADAMS重点是在力学分析上，在建模方面还是有很多不足，尤其是一些复杂机械系统零、部件的三维建模很难实现，所以很有必要利用SW软件建模来解决这个问题，同时需要合适的接口程序来完成,可以实现简单的仿真。

当转换模型调入ADAMS/View后就可以充分利用系统自身的建模工具，添加几何模型、复杂约束、施加载荷、函数和子过程等复杂模型特性，再通过运动学和动力学进行仿真分析，从而逼真地再现虚拟样机的仿真模型，利用参数设计进而实现优化。同时还可以利用ADAMS/View的主工具箱后处理工具或在Review菜单下选post processing进入ADAMS/PostProcessor进行仿真结果回放和分析曲线绘制，处理好后就可以存贮为模型数据库文件(.bin)。

首先在向ADAMS转化模型时会丢失一些信息，比如轴线丢失、实体失真等，因此在MECH/Pro环境下就将以后需要的标记(Markers)和简单约束定义好。其次，叶片与其基座的连接我们用了转动副约束，在基座的重心点施加了一个移动副约束。第三，叶片运动过程中,所受空气阻力的方向总是与叶片质心速度方向相反，而叶片质心速度方向总是随时间而变化。因此我们采用了STEP函数来模拟空气阻力。

本文通过SW建立实体模型，并导入了ADAMS 软件，对以上建立的叶片虚拟样机系统进行仿真分析。动态仿真取5秒。从仿真运行中可以看出，它们的特征点、质心位置、转动惯量等要素均可以在模型上体现出来，不影响运动学和动力学分析的准确性。

4 仿真分析

仿真结束后，调用ADAMS后处理模块对数据进行处理。通过对叶片转速、转加速度及受力三项仿真结果。

图四叶片转速图

图五叶片转加速度图

图六叶片转动副受力图

Step函数模拟空气阻力：

STEP(time,0,0,1,200)+STEP(time,1,0,2,-120)+STEP(time,2,0,3,80)+STEP(time,3,0,4,-30)+STEP(time,4,0,5,-30)

由以上曲线图和曲线统计ADAMS/PostProcessor的分析得到:叶片在不到一秒的时候开始启动，达到一定速度时叶片的速度保持一定，这是因为叶片定桨距失速调节的原因。从图中可以看出叶片开始转动的加速度比较大，随着时间增长加速度趋于稳定。从仿真结果可以得到每一时刻的受力大小，并能计算出每一时刻的转矩。这为下一步选择发电机做了充足的数据储备。

5 结论

通过SW建立实体模型，并导入了ADAMS 软件，获得了叶片不同速度下的转速、转加速度变化曲线及其连接副受力曲线。分析结果表明，设计的叶片符合性能要求。并说明运用样机技术，能够很方便的获得叶片在整个运行过程中的运动学和动力学性能，以及各种受力情况，从而获得风阻能发电的一般规律，为进一步综合开发利用风阻能装置打下基础。

6 收获总结

在接触并学习了机械系统动力学这门课后我对力学又有了新的概念，对这个领域有了新的认识，在本次论文报告中我再一次熟悉使用了SW软件，并且认识和使用了动力学运动分析软件ADAMS，从外部导入SW模型时，缺失了很多元素，例如质心，质心坐标，零件材料等，转动副的添加，驱动的设置，在设置驱动时需要添加STEP函数进行风阻模拟，函数值的设置影响了曲线的变化，在进行几组数据的测试后得到了本论文想要验证的结论。