柳条式海浪发电装置的运动学与动力学研究

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经济发展离不开能源的支撑,在传统化石能源逐渐枯竭的环境下,全球能源朝着清洁化和低碳化发展。波浪能作为海洋能中最常见且最容易开发的可再生能源之一,从上世纪开始国外许多国家已经投入研究并取得很多成果。由于我国也拥有丰富的海洋资源,到本世纪初也进入到波浪能发展行列。在此环境下,本文提出一种柳条式海浪发电装置,融合了传统振荡浮子式海浪发电装置的技术特点,采用柳条外形结构,旨在提高波浪能的转换效率,降低制造成本。首先,对全球波浪能流密度进行分析,并介绍了国内外典型波浪发电装置,根据工作原理将其进行分类论述。在此基础上提出一种柳条式海浪发电装置,再对其整体结构、振动系统、液压系统以及关键部件进行设计,利用Solid Works软件建立三维模型,并论述其工作原理。其次,基于微幅波理论和费汝德—克雷洛夫假定法,分析不同形状体作浮子和箱体时所受的垂直波浪力和水平波浪力,然后应用MATLAB软件绘制波浪力图进行对比分析,分别确定浮子和箱体的形状,并对浮子受波浪力时的位移进行计算。然后,对振动系统进行求解,并分析其幅频和相频响应曲线,可知波浪频率和振动系统固有频率相近范围内为振幅最大阶段,且此范围内的振幅受阻尼影响很大,由此设计振动系统各项参数和装置的发电功率。基于ANSYS软件对振动系统进行模态和谐响应分析,其固有频率和幅频响应与理论值相符,由此验证振动系统设计的合理性;再对关键部件进行静力学分析,验证其力学性能。最后,运用解析法对海浪发电装置进行运动学分析,推导出液压缸的运动学方程;再基于拉格朗日方程的矩阵形式建立海浪发电装置的动力学方程,推导出波浪力与系统动能之间的关系;应用ADAMS软件对海浪发电装置进行仿真分析,得到活塞杆位移、速度和加速度随时间变化情况以及连杆与滑动杆连接处的受力情况。
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