基于计算流体动力学(CFD)平台,以k-ε模型求解N-S方程的方式,分析了垂直轴风力机(VAWT)的三维结构,对分布式能源用小型垂直轴风力机的特性进行了建模与仿真计算,并通过结构对比分析,对结构进行了优化设计。在将现有叶片中的直平板改为流线型设计结构后,大大提高了该垂直轴风力机的风能利用系数。而在叶片中间加入小挡板后对提高垂直轴风力机的风能利用不明显。此外,对比验证了三种叶片结构风轮的性能,确定了该类垂直轴风力机最佳叶片数。为该类垂直轴风力机的设计与优化提供了借鉴和参考。

针对现有的Jensen尾流模型分析水平轴风力机(HAWTs)的方法,对采用经典Jensen尾流模型时恒定的风速亏损和尾流衰减系数进行改进,提出基于改进型Jensen尾流模型对新型Senegal式垂直轴风力机(VAWTs)尾流分析的新方法。结合流场分析对该新型风力机进行尾流数值模拟,得出了基于改进的Jensen尾流模型的尾流参数二维分布的变化规律。由于尾流分布具有三维性,二维尾流分布不能完全反映尾流特性,因此还得到了尾流参数三维分布。全面地分析了单台VAWT的尾流特性,不仅为进一步的多台VAWTs尾流分析和风电场风力机排布研究打好基础,而且为该类Senegal式VAWT的尾流研究提供了借鉴和参考。

针对异种钢2205双相不锈钢与液压油缸常用材质30CrMnSi,从试验材料、异种钢焊接性、焊接工艺等方面进行探讨,分析焊接接头性能,确定合适的多层多道焊及单层单道焊焊接工艺,为2205双相不锈钢在液压支架上的应用提供了经验。

对液压支架用中厚Q960钢板进行焊接热模拟试验,分析了不同冷却速率(0.5~100℃·s-1)下热影响区粗晶区的显微组织和硬度;通过铁研试验和焊接接头力学性能试验,对机器人焊接工艺进行了确定。结果表明:在焊前预热100℃条件下,当冷却速率低于80℃·s-1,即焊接热输入大于6.5 kJ·cm-1时,模拟得到热影响区粗晶区硬度可稳定在420 HV以下;在焊前100℃预热,焊接热输入为13.95 kJ·cm-1条件下,机器人焊接Q960钢板接头具有良好的抗冷裂纹敏感性;匹配ER96-G焊丝,13.02~15.18 kJ·cm-1焊接热输入下机器人焊接中厚Q960钢板接头的性能均能满足标准要求。适宜的机器人焊接参数为焊前预热100℃、焊接电流460 A、电压33 V、焊接速度60 cm·min-1、送丝速度8.5 m·min-1,此时焊接熔敷率可达到8 kg·h-1。

焊接是制约液压支架结构件整体制造效率提升的瓶颈工序,提高机器人焊接效率意义重大。研究φ1.6 mm焊丝机器人焊接在不同焊接参数下的焊缝成形和电弧形态、接头力学性能试验和疲劳寿命试验。结果表明:机器人采用φ1.6 mm焊丝在焊接电流500~540 A时电弧射流过渡形式明显,熔池稳定性高,焊缝成形良好,焊接接头各项力学性能均能满足要求;当电流增大到580 A时,电弧出现旋转射流过渡,电弧飘浮不定,飞溅增多,余高过高,不利于焊缝成形,焊缝熔合线较差,接头弯曲可能会开裂;机器人采用φ1.6 mm焊丝在焊接电流500~540 A时具有较高的疲劳寿命,相比φ1.2 mm焊丝焊接效率可提升50%以上。

利用PRO/E对连杆体进行三维建模,应用ANSYS对不同载荷方式下进行受力分析,通过对有无一次盖板与主筋内侧角焊缝这2种情况下的应力分布云图进行比较分析,得出一次盖板与主筋内侧角焊缝可以优化取消。

液压支架油缸在服役过程中承受交变载荷,容易发生疲劳破坏,一旦油缸发生疲劳失效将会对生产安全产生不利影响。为了保证液压支架在服役过程中的安全可靠性,对现有的3种液压支架油缸材料27SiMn、30CrMo、30CrMnSi的微观组织形貌,交变载荷下的疲劳性能以及疲劳断口形貌进行研究,从而确定高可靠性油缸的材料选择标准。研究结果表明,材料光滑试样的疲劳性能存在区别,相比之下疲劳性能30CrMnSi>30CrMo>27SiMn,疲劳强度与屈服强度存在正比关系,理论上提高材料的屈服强度可以提高其疲劳性能。

焊缝位置由于焊接残余应力的影响存在较大的应力集中,一般为机械结构的薄弱点,在受到交变载荷时容易发生疲劳断裂,导致安全事故的发生。对液压支架立柱缸体吊环扣焊缝疲劳性能进行研究,对几种不同缸体材料的焊缝结构进行疲劳测试,获得焊缝位置的疲劳寿命曲线。根据宏观裂纹位置和微观断口形貌,分析疲劳断裂机理,比较不同材料和不同机械结构焊缝的性能,寻找提高液压支架实际工作寿命的方法。

为了解决仿生视觉用多自由度电机的驱动能力不足和定位困难的问题，提出了两种新型复合驱动式三自由度电机结构，分别采用有限元法、解析法求解分析其磁场和转矩。为了准确的说明复合驱动式三自由度电机的可行性，首先对两个不同结构分别建模，然后分析不同转子结构下的气隙磁密值，再结合计算结果绘制出气隙磁密的三维分布图，并给定子线圈通以不同电流，结合转动角度，获得转矩的三维特性，最后基于解析法在球坐标系下建立电磁系统的数学模型，将两种方法的求解结果进行对比验证。结果证明了电机结构的合理性，为进一步的设计与优化研究提供了理论基础。