面向波浪振动的弹性并联俘能机构非线性动力学分析及应用研究

In the context of rising energy consumption and the shortage of traditional energy, the development of new energy has become a trend. Ocean energy is a kind of renewable energy without pollution. Compared with other ocean energy, wave energy has the advantages of simple form as well as easy conversion. Energy capture is the most important part of the wave energy conversion device. The majority of the wave energy collection mechanism had developed only for waves or swing from single direction of vibration, less attention from multi direction coupling vibration excitations caused by random wave energy. Therefore, how to capture the wave energy efficiently and comprehensively has important engineering significance to improve the conversion efficiency of the whole unit. This project is based on the elastic wave energy capture parallel mechanism as the research object and multi spring coupling resonance technique to efficiently realize multi direction wave energy absorption. By establishing the kinematics and dynamics model of energy harvesting mechanism, nonlinear dynamic characteristics of the mechanism are studied systematically, and a set of modeling technique and algorithm of geometrically nonlinear vibration mechanism of spatial parallel spring are presented; It aims at exploring fluid-solid coupling mechanism including the elastic parallel harvesting mechanism through related numerical simulation and theory calculation. The research of this project provides an important theoretical basis and technical support for the promotion of China's huge wave power generation industry.

在能源消耗量持续攀升和传统能源日趋短缺的背景下，新能源开发已成为大势所趋。海洋能是一种无污染的可再生能源，波浪能同其他海洋能相比，具有能量形式简单、容易转换的优点。能量俘获是波能转换装置首要环节。多数波浪俘能机构只针对来自于波浪起伏或者摆动等单一振动方向的能量收集,较少关注由随机波浪引起的来自于多个方向耦合激励产生的振动能。因而，如何高效、全方位地俘获波浪能对提高整体装置转换效率具有重要的工程意义。本项目以弹性并联波浪能俘获机构为研究对象，基于多弹簧耦合共振技术，实现高效吸收多个方向的波浪能。通过建立俘能机构的运动学和动力学模型，系统研究机构的非线性动力学特征，并提出一套空间并联弹簧几何非线性振动机构的建模技术以及求解算法；进一步探索弹性并联俘能机构的流固耦合作用机理, 并进行相关数值模拟和理论计算。项目研究为推动我国庞大的波浪发电产业、提升波能转换效率提供重要的理论依据和技术支撑。

随机波浪具有多浪向、低频、时变、宽频等特征。目前多数波能转换器仅考虑单一方向、单一频率波浪振动能量的提取，严重制约了波能俘获与转换效率的提升。基于此，本课题设计并研究了一类基于空间弹性并联机构的直驱式波浪能发电系统，实现波浪能的宽频、多方向的能量采集，对于提升波浪能转换效率具有重要的意义。项目开展了以下研究：（1）设计了基于3-UPU并联机构的WEC(波能转换器)装置，阐述了系统波浪能-弹性势能-电能的转换机理。以俘能浮子动平台为研究对象，采用F-K法描述了波浪力，建立了面向波能转换器浮体系统的垂荡-纵荡耦合动力学数学模型。采用龙格-库塔法求解了浮子运动响应以及支链弹簧伸缩特性。讨论并揭示了支链弹簧刚度系数、张开角度、并联机构动静平台几何铰接位置等相关结构因素以及波浪波高、频率等波浪激励力因素对波能转换器系统转换效率的影响规律；（2）建立了基于空间SD振子的波浪俘能机构系统数值模型，分析了不同激励频率、不同振幅对系统非线性动力学响应的影响。通过数值计算获得不同波浪激励工况系统响应分岔图以及庞加莱截面，进一步分析俘能浮子运动学与动力学特征，并通过李雅普诺夫指数判据俘能系统运动稳定性。（3）采用动边界及物理造波法构建了波浪流体驱动波能转换机构的双向流固耦合动力学数值有限元模型，通过仿真分析获得不同结构参数与波浪激励参数对波能转换效率的影响。（4）进行了直线发电机的结构设计，基于电磁学仿真方法完成WEC装置支链直线发电机的结构参数优化。针对系统输出电能设计了相关电路并提出了电能储存与管理方案。（5）针对上述研究，组装了基于3-UPU并联机构的波能转换器实验样机以及空间SD振子波浪俘能机构，开展了相关波浪水槽实验，验证了理论分析结果。