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| DC 欄位 | 值 | 語言 |
|---|---|---|
| dc.contributor.advisor | 張建成(Chien-Cheng Chang) | |
| dc.contributor.author | Yun-Peng Wu | en |
| dc.contributor.author | 吳運鵬 | zh_TW |
| dc.date.accessioned | 2021-06-16T17:16:05Z | - |
| dc.date.available | 2017-08-22 | |
| dc.date.copyright | 2012-08-22 | |
| dc.date.issued | 2012 | |
| dc.date.submitted | 2012-08-17 | |
| dc.identifier.citation | [1] World Wind Energy Report 2011. World Wind Energy Association WWEA 2012.
[2] M. Islam, et al., 'Aerodynamic models for Darrieus-type straight-bladed vertical axis wind turbines,' Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 12, pp. 1087-1109, 2008. [3] J. C. Houbolt, G .W .Brooks, Differential equations of motion for combined flapwise bending, and torsion of twisted non-uniform rotor blade, NACA report 1346, 1958. [4] S.B.R. Kottapalli, P.P. Friedmann, A. Rosen, Aeroelastic stability and response of horizontal-axis wind turbine blades, AIAA Journal, 1979, 17(12):1381~1389. [5] H. F. Bauer. Vibration of a Rotating Uniform Beam, Part I: Orientation in the Axis of Rotation. Journal of Sound and Vibration 1980; 72(2): 177-189. [6] M. L. Chen, Y. S. Liao. Vibrations of Pretwisted Spinning Beams Under Axial Compressive Loads with Elastic Constraints. Journal of Sound and Vibration 1991; 147(3): 497-513. [7] M.E. David, S. F'orrest, Wind Turbine Engineering Design, Structural Dynamic, 1987 (7):35~59 [8] PK. Chaviaropoulos, Aeroelastic Stability of Wind Turbine Blade, Wind Energy, 2001(4):183200 [9] MH. Hansen, Improved Modal Dynamics of Wind Turbine Blade to Avoid Vibrations, Wind Energy, 2003 (6): 179195 [10] M. A. Shubov, Mathematical Modeling and Analysis of Flutter in Bending-torsion Coupled Beams, Rotating Blades, and Hard Disk Drives. Journal of Aerospace Engineering 2004; 56: 893-1321. [11] Y.H. Pao, Converting offshore wind to low-cost clean electricity - to below the cost of coal electricity, 《2010 International Symposium on Engineering Mechanics》 [12] O. V. Gendelman, Y. Starosvetsky, M. Feldman, Attractors of harmonically forced linear oscillatorwith attached nonlinear energy sink I: Descriptionof response regimes. Nonlinear Dyn (2008). [13] O. V. Gendelman, Bifurcations of Nonlinear Normal Modes of Linear Oscillator with Strongly Nonlinear Damped Attachment. Nonlinear Dynamics 37: 115–128, 2004. [14] A.F. Vakakisa, L.I. Manevitch ,O. Gendelman,L, Bergman. Dynamics of linear discrete systems connected to local, essentially non-linear attachments. Journal of Sound and Vibration 264 (2003) 559–577. [15] G.S. Huang, C.C. Ma, D.W. Huang, Dynamic strain measurements of a cantilever using the improved bonding fiber Bragg grating. Journal of Vibration and Control (2011) [16] Y. C. Fung. The Theory of Aeroelasticity, Dover, 1969. [17] S. Timoshenko, J. N. Goodier. Theory of Elasticity, Second Edition, McGraw-Hill, 1951. [18] W. Riley, L. Sturges, D. Morris. Mechanics of Materials, Sixth edition, John Wiley & Sons, 2007. [19] S. Moaveni. FINITE ELEMENT ANALYSYS Theory and Application with ANSYS, Third Edition, Pearson, 2008. [20] 張奕傑, 旋轉垂直軸風力發電機葉片之振動分析, 國立臺灣大學應用力學研究所碩士論文, 指導教授：張建成, 郭志禹, 2011. [21] 鄭宇軒, 張建成, 郭志禹, 垂直風力發電機之模擬與扭力及效率分析, 國立臺灣大學應用力學研究所碩士論文, 指導教授：張建成, 郭志禹, 2011. | |
| dc.identifier.uri | http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/63671 | - |
| dc.description.abstract | 垂直軸風力發電機相較於水平軸風力發電機而言，具有無風向限制以及噪音較小等優點。風機葉片的振動行為可看作一樑振動的問題，其中樑端點為何種支撐方式，對其振動行為的影響相當大。本研究從能量法的漢彌爾頓定理出發，推導出葉片撓曲-扭轉三自由度之耦合振動控制方程式，其中使三個自由度互相耦合的關鍵參數在於葉片重心以及剪力中心之間的距離 ，而當葉片截面積呈對稱形狀時，該參數的值為零，也就是三個自由度之間將互不耦合。本研究以NACA0015型號之小尺度葉片為對象建立模型，該型號葉片形狀並非對稱，故計算時可以保留三自由度間的耦合特性。以有限差分法將葉片空間及控制方程式作離散，分別對簡支撐和固定支撐兩種邊界求解。再使用工程軟體ANSYS Workbench來做模擬，對葉片作模態分析，得到自然頻率以及模態形狀之模擬值，並與理論值作比較。兩種方法得到的結果，在低頻模態時相當吻合。故以本研究之方法，可以準確地得知葉片的低頻共振自然頻率，如此在設計葉片時，可以透過改變幾個影響較大的變數，避免因風力發電機運轉時產生的振動與葉片發生共振，而破壞葉片結構。
本研究也用實體之小型葉片作模態測試，希望能夠將實驗值與理論值作一比較探討，但礙於實驗設備的不足，模態測試實驗的邊界條件無法與模擬的邊界條件吻合，故最後僅發展出一套實驗流程，沒有可以與理論比較的數據 | zh_TW |
| dc.description.abstract | Compared to horizontal axis wind turbines, vertical axis wind turbines have the benefit of operation that is independent of the wind direction, lower wind speed to start operation, and less noise. The vibration of blade can be regarded as vibration of a beam. How to support the ends of the beam affect the vibration very much. In this present paper, we start from the energy method of Hamilton’s principle, derive the dynamic governing equations for the blade, which has three degree of freedom (includes bending and fluttering). The key variable to keep the three degree of freedom coupled is the distance from center of gravity to shear center, . When the cross-section of blade is symmetrical, the value of is zero, which means the three degree of freedom will decouple. We creat the model of NACA0015 small size blade. The NACA series blades are asymmetric, so we can keep the three degree of freedom coupled in calculation. We discrete the space and governing equation by finite difference method, solve the cases of simply support and fixed support, respectively. Then use ANSYS Workbench to do the modal analysis. Thus we obtain the natural frequency and mode shape of theory and simulation, respectively. The two results are similar in low frequency mode. By the way we use in this study, we can vary the natural frequency while design the blade, avoiding resonance in operation.
Otherwise, we also do the modal testing of small size NACA0015, expect to compare the result of experiment and simulation. Due to the lack of experimental equipment, the boundary conditions of the modal testing can not coincide with the simulation. Finally we build an experiment process only, without data to compare with simulation. | en |
| dc.description.provenance | Made available in DSpace on 2021-06-16T17:16:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ntu-101-R99543097-1.pdf: 3439572 bytes, checksum: c82d53903d800efd13ff944553975c2a (MD5) Previous issue date: 2012 | en |
| dc.description.tableofcontents | 目錄
致謝 i 摘要 ii Abstract iii 目錄 v 圖目錄 vii 表目錄 xi 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究目的 4 1.3 風力發電機種類介紹 5 1.3.1 Savonius型風力發電機 6 1.3.2 Darrieus型風力發電機 6 1.3.3 H轉子型風力發電機 8 1.4 文獻回顧 9 第二章 控制方程式 13 2.1基本假設 13 2.2漢彌爾頓定理 14 2.3 系統模型 14 2.4 控制方程式推導 18 2.4.1 動能推導 18 2.4.1 位能推導 21 2.5 控制方程式 26 2.6 葉片截面分析 27 第三章 模態測試實驗 31 3.1 實驗原理 31 3.2 實驗設備與方法 34 3.3 實驗結果 37 第四章 有限元素分析 39 4.1 有限元素法 39 4.2 ANSYS Workbench處理流程 40 4.3 靜態結構分析 50 4.4 模態分析 51 第五章 結果與討論 52 5.1 自然模態分析 52 5.1.1 簡支撐 54 5.1.2 固定支撐 60 5.2 簡支撐結果 64 5.2.1 理論葉片模態 65 5.2.2 ANSYS Workbench葉片模態 67 5.3 固定支撐結果 73 5.3.1 理論葉片模態 74 5.3.2 ANSYS Workbench葉片模態 76 5.4 結果討論 83 第六章 結論與未來展望 84 6.1 結論 84 6.2 未來展望 87 參考文獻 89 附錄A 簡支撐下各模態次要自由度變形圖 92 附錄B 固定撐下各模態次要自由度變形圖 95 圖目錄 圖 1 1全世界風力發電機總安裝容量各年比較圖 2 圖 1 2世界前13風力發電大國 2 圖 1 3臺灣地區10公尺高之平均基本風速(m/s)分佈圖 3 圖 1 4臺灣地區30公尺高之平均基本風速(m/s)分佈圖 3 圖 1 5臺灣地區50公尺高之平均基本風速(m/s)分佈圖 4 圖 1 6 Savonius型風力發電機 6 圖 1 7打蛋型Darrieus風力發電機 7 圖 1 8直葉片型Darrieus風力發電機 7 圖 1 9 H轉子型風力發電機 8 圖 1 10三維樑模型示意圖 9 圖 1 11樑截面示意圖 10 圖 1 12 FloWind垂直軸風機與直葉片垂直軸風機(S-VAWT, H/D=2.751)輸出功率比較 11 圖 1 13 FloWind垂直軸風機 11 圖 1 14直葉片風機 12 圖 2 1卡氏座標系統與旋轉座標系統示意圖 15 圖 2 2風力發電機葉片剖面圖 16 圖 2 3尤拉樑撓曲示意圖 21 圖 2 4撓曲放大示意圖 21 圖 2 5剪應變示意圖 24 圖 2 6葉片截面積示意圖 28 圖 2 7 NACA0015之剪力中心與重心示意圖 29 圖 3 1 (a)典型系統方塊圖(b)物理域型式(c)模態域型式(d)頻域型式 31 圖 3 2時域與頻域 33 圖 3 3實驗架構示意圖 34 圖 3 4彎曲型葉片懸吊圖 34 圖 3 5 (a)352C23加速規 (b)N-BNC接頭 35 圖 3 6 NI-USB 9215 (a)實體圖 (b)內部電路示意圖 35 圖 3 7 PW700軟體量測設定 36 圖 3 8敲擊自由端葉片所量得之頻譜 37 圖 4 1 (a)有限差分法以及(b)有限元素法之網格劃分示意圖 40 圖 4 2 ANSYS Workbench模組示意圖 40 圖 4 3 ANSYS Workbench中Design Modeler介面圖 41 圖 4 4從CAD導入模型至ANSYS Workbench示意圖 42 圖 4 5 ANSYS Workbench材料參數設定介面 43 圖 4 6 NACA0015葉片網格劃分示意圖 44 圖 4 7 NACA0015打洞葉片網格劃分示意圖 44 圖 4 8 (a)施加於線上之簡支撐(b)施加於點上之簡支撐 46 圖 4 9葉片頂端設定固定支撐示意圖 47 圖 4 10於葉片頂端打洞模擬三維簡支撐示意圖 47 圖 4 11葉片負載與邊界條件示意圖(a)固定支撐(b)簡支撐 48 圖 5 1於ANSYS Workbench中將葉片打洞並插入橫桿以模擬簡支撐示意圖 54 圖 5 2受簡支撐作用下葉片之第一和第四模態圖，撓曲變形 65 圖 5 3受簡支撐作用下葉片之第二和第五模態圖，撓曲變形 66 圖 5 4受簡支撐作用下葉片之第三和第六模態圖，撓曲變形 66 圖 5 5受簡支撐作用下葉片的第一自然頻率之應變分布圖 67 圖 5 6受簡支撐作用下葉片的第一自然頻率之模態圖 67 圖 5 7受簡支撐作用下葉片的第二自然頻率之應變分布圖 68 圖 5 8受簡支撐作用下葉片的第二自然頻率之模態圖 68 圖 5 9受簡支撐作用下葉片的第三自然頻率之應變分布圖 69 圖 5 10受簡支撐作用下葉片的第三自然頻率之模態圖 69 圖 5 11受簡支撐作用下葉片的第四自然頻率之應變分布圖 70 圖 5 12受簡支撐作用下葉片的第四自然頻率之模態圖 70 圖 5 13受簡支撐作用下葉片的第五自然頻率之應變分布圖 71 圖 5 14受簡支撐作用下葉片的第五自然頻率之模態圖 71 圖 5 15受簡支撐作用下葉片的第六自然頻率之應變分布圖 72 圖 5 16受簡支撐作用下葉片的第六自然頻率之模態圖 72 圖 5 17受固定支撐作用下葉片之第一和第四模態圖，撓曲變形 74 圖 5 18受固定支撐作用下葉片之第二和第五模態圖，撓曲變形 74 圖 5 19受固定支撐作用下葉片之第三模態圖，撓曲變形 75 圖 5 20受固定支撐作用下葉片之第六模態圖，扭轉變形 75 圖 5 21受固定支撐作用下葉片的第一自然頻率之應變分布圖 76 圖 5 22受固定支撐作用下葉片的第一自然頻率之模態圖 77 圖 5 23受固定支撐作用下葉片的第二自然頻率之應變分布圖 77 圖 5 24受固定支撐作用下葉片的第二自然頻率之模態圖 78 圖 5 25受固定支撐作用下葉片的第三自然頻率之應變分布圖 78 圖 5 26受固定支撐作用下葉片的第三自然頻率之模態圖 79 圖 5 27受固定支撐作用下葉片的第四自然頻率之應變分布圖 79 圖 5 28受固定支撐作用下葉片的第四自然頻率之模態圖 80 圖 5 29受固定支撐作用下葉片的第五自然頻率之應變分布圖 80 圖 5 30受固定支撐作用下葉片的第五自然頻率之模態圖 81 圖 5 31受固定支撐作用下葉片的第六自然頻率之應變分布圖 81 圖 5 32受固定支撐作用下葉片的第六自然頻率之模態圖 82 圖 6 1於打洞葉片上增加固定塊之示意圖 86 圖 A 1受簡支撐下葉片第三和第六模態U方向次要撓曲變形 92 圖 A 2受簡支撐下葉片第一和第二模態V方向次要撓曲變形 92 圖 A 3受簡支撐下葉片第四和第五模態V方向次要撓曲變形 93 圖 A 4受簡支撐下葉片第一和第二模態次要扭轉變形 93 圖 A 5受簡支撐下葉片第四和第五模態次要扭轉變形 94 圖 A 6受簡支撐下葉片第三和第六模態次要扭轉變形 94 圖 B 1受固定支撐下葉片第三和第六模態U方向次要撓曲變形 95 圖 B 2受固定支撐下葉片第一和第四模態V方向次要撓曲變形 95 圖 B 3受固定支撐下葉片第二和第五模態V方向次要撓曲變形 96 圖 B 4受固定支撐下葉片第六模態V方向次要撓曲變形 96 圖 B 5受固定支撐下葉片第一和第二模態次要扭轉變形 97 圖 B 6受固定支撐下葉片第三模態次要扭轉變形 97 圖 B 7受固定支撐下葉片第四和第五模態次要扭轉變形 98 表目錄 表 1 1 Indal和Sandia垂直軸風機以及WindPACT水平風機在六種不同風速下的功率 5 表 3 1對應圖3-8中所標各點之頻率 38 表 4 1 Aluminum 6063-T6之性質表 42 表 4 2葉片負載設定表 49 表 5 1與位移量X有關之數學微分式對應之端點物理意義 54 表 5 2簡支撐葉片之自然頻率結果比較 64 表 5 3固定支撐葉片之自然頻率結果比較 73 表 6 1模態測試以及ANSYS Workbench模擬之低頻模態頻率比較(單位：Hz) 84 表 6 2三種支撐方式之邊界條件(T：True，F：False) 85 | |
| dc.language.iso | zh-TW | |
| dc.subject | 自然頻率 | zh_TW |
| dc.subject | 垂直軸風力發電機 | zh_TW |
| dc.subject | 葉片振動 | zh_TW |
| dc.subject | 模態測試 | zh_TW |
| dc.subject | Blade vibration | en |
| dc.subject | Vertical axis wind turbines | en |
| dc.subject | Natural frequencies | en |
| dc.subject | Modal test | en |
| dc.title | 旋轉垂直軸風力發電機葉片之撓曲與扭轉之三自由度線性振動分析 | zh_TW |
| dc.title | Three-degree-of-freedom system of linear vibration of blade bending and fluttering of vertical axis wind turbines | en |
| dc.type | Thesis | |
| dc.date.schoolyear | 100-2 | |
| dc.description.degree | 碩士 | |
| dc.contributor.coadvisor | 郭志禹(Chih-Yu Kuo) | |
| dc.contributor.oralexamcommittee | 朱錦洲(Chin-Chou Chu),蘇正瑜,宮春斐 | |
| dc.subject.keyword | 垂直軸風力發電機,葉片振動,自然頻率,模態測試, | zh_TW |
| dc.subject.keyword | Vertical axis wind turbines,Blade vibration,Natural frequencies,Modal test, | en |
| dc.relation.page | 98 | |
| dc.rights.note | 有償授權 | |
| dc.date.accepted | 2012-08-19 | |
| dc.contributor.author-college | 工學院 | zh_TW |
| dc.contributor.author-dept | 應用力學研究所 | zh_TW |
| 顯示於系所單位： | 應用力學研究所 | |
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