基于超声换能器分布式多点布置的超声波导波除冰方法

本发明涉及超声波除冰，具体为基于超声换能器分布式多点布置的超声波导波除冰方法。

背景技术：

1、现有超声波除冰技术是在风机叶片表面装压电陶瓷换能器（如pzt-4、pzt-5，圆形或方形，用环氧树脂胶粘贴），利用其逆压电效应产生高频振动，激发超声波导波（lamb波和sh波）在叶片与冰层界面传播，以界面剪应力破坏冰层粘附实现除冰；典型构造含换能器、提供高频电信号的超声波发生器、监测并控制除冰的控制系统。

2、研究方面，2010年谭海辉等人用ansys分析覆冰叶片，确定除冰最优安装距离与频率；2012年李录平等人构建模型、计算最佳频率并试验验证系统可靠性；2015年habibih等人提出双除冰系统，确定最佳频率和换能器位置，以上可见这些换能器布置方式上，多为单点或简单多点布置，即单个或少数换能器按间距贴于叶片表面，经转换振动作用于叶片。

3、上述结合现有，单点或少数点布置换能器存在诸多不足，一是换能器布局欠合理，多关注单一元件参数，对分布式多点激励布局研究少，难适应叶片复杂曲面，致表面能量不均、部分区域除冰差；二是覆盖范围小、除冰效率低，单点或少数点布置的换能器能量衰减显著，因多界面反射散射难均匀扩散，无法全覆盖大型叶片；三是超声振动波在叶片冰层结构中的传播路径和能量衰减规律不明，实际与仿真效果有偏差，影响效率稳定；四是换能器布置参数未优化，易波干涉，间距不当会引发结构疲劳或能量不足，因缺乏多换能器波传播规律研究，难定最优参数。

4、本发明旨在解决现有超声波除冰技术中换能器布局不合理导致的除冰效率低、复杂曲面适应性差、实际与仿真偏差大以及对动态工况考虑不足等问题，提供一种基于超声换能器分布式多点布置的超声波导波除冰方法，以提高风力机叶片除冰的效率和均匀性，增提升极端气候条件下风力发电系统的稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于超声换能器分布式多点布置的超声波导波除冰方法，解决了换能器布局不合理的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于超声换能器分布式多点布置的超声波导波除冰方法，包括以下步骤：

3、s1、利用ansys软件构建由冰层、玻璃钢板和四个压电换能器组成的有限元模型，计算获取四个压电换能器除冰频率波长；

4、s2、基于换能器安装距离原则，利用四个压电换能器除冰频率波长，计算得四个压电换能器安装中心距离，根据其设计玻璃钢板上压电换能器四种布局；

5、s3、利用ansys谐响应分析，计算得四种布局的冰层界面平均剪切应力，基于超声除冰原理，利用冰层界面平均剪切应力求得冰层界面内总剪切应力，得到四种布局与剪切应力的关系，选出四种布局中的高效布局；

6、s4、基于ansys谐响应分析,量化高效布局剪切应力离散程度，定义了最大剪应力方差关系式，验证四种布局的合理性。

7、s5、建立最高布局瞬态动力学模型，进行时域分析，验证ansys谐响应分析的准确性。

8、在一方实施中，所述玻璃钢板上压电换能器四种布局的设计方式：

9、通过ansys数值模拟确定四个压电换能器除冰频率，截取玻璃钢板上一定除冰频率的波长，基于换能器安装距离原则，压电换能器应安装在一个等于lamb波半波长的奇数倍数的距离上，即得出压电换能器安装中心距离d与波长表达式；

10、由表达式进行组合设计玻璃钢板上压电换能器四种布局：直线阵列布局、对称布局、非均匀间距布局以及复杂非均匀布局。

11、在一方实施中，所述直线阵列布局为四个所述压电换能器以直线阵列均匀分布在所述玻璃钢板上，所述对称布局为四个所述压电换能器以两两相对分布在所述玻璃钢板的四角，所述非均匀间距布局和复杂非均匀布局均为四个所述压电换能器以非均匀间距分布在所述玻璃钢板上，其中，所述非均匀间距布局的四个所述压电换能器构成菱形，所述复杂非均匀布局的四个所述压电换能器构成长方形。

12、在一方实施中，所述压电换能器包括中央压电陶瓷堆、前后金属盖板、预应力螺栓以及正负电极片，所述玻璃钢板远离压电换能器一侧设置有所述冰层。

13、在一方实施中，所述高效布局选出方式：

14、利用ansys谐响应分析四种布局，绘制剪切应力幅值-频率曲线图以确定每组最佳除冰频率，生成每组最佳除冰频率的剪切应力云图；

15、然后，选取四种布局的冰层界面的6个典型节点，结合剪切应力云图的剪切应力分量计算得布局的、和三个冰层界面平均剪切应力，进而求得冰层界面内总剪切应力；

16、通过、和三个冰层界面平均剪切应力与冰层界面内总剪切应力绘制四个布局与剪切应力的关系图，选出高效布局为对称布局。

17、在一方实施中，所述四种布局合理性验证方式：

18、提取对称布局中最佳除冰频率的剪切应力、和，构造分析路径，基于ansys谐响应分析得冰层碎裂剪切应力和冰层剥离剪切应力、在分析路径上的分布情况，并对分析路径上沿x方向和y方向路径的剪切应力取均值，可得冰层的破裂和剥离剪切应力幅值沿x和y轴的分布趋势;

19、再对冰层碎裂剪切应力和冰层剥离剪切应力、进行归一化处理，反映冰层积冰边缘和内部点的应力梯度；

20、根据冰层的破裂和剥离剪切应力幅值沿x和y轴的分布趋势与冰层积冰边缘和内部点的应力梯度，定义最大剪切应力方差var系数，描述冰层积冰边缘和内部点剪切应力离散程度：

21、可知，在冰层边缘剪应力最大，此处积冰边缘的剪切应力经归一化后为1，故而，剪切应力在积冰边缘的应力集中程度越大，应力分布更合理、冰层剥离功效越高，验证了对称布局的合理性；

22、依照上述步骤对直线阵列布局、非均匀间距布局以及复杂非均匀布局构造分析路径，并进行var系数计算，得到var系数呈现下降趋势，与对称布局分布趋势一致，进而验证了直线阵列布局、非均匀间距布局以及复杂非均匀布局的合理性。

23、在一方实施中，所述ansys谐响应分析准确性验证方法：

24、建立最高布局瞬态动力学模型，采用与ansys谐响应分析一致的网格单元尺寸，时间步长设置为1㎲，总计算时长设置为300㎲，满足cfl条件、空间采样准则及奈奎斯特准则；

25、在压电换能器正极片上施加幅值为200v的正弦交流电压；在相对应负极片上施加0v电压，其它边界条件与ansys谐响应分析一致；

26、模拟超声波在结构中传播过程，获取冰层位移随时间分布的时域响应数据；

27、根据时域响应数据确定冰层剥离的起始位置及剥离区域占比，验证ansys谐响应分析模型的准确性。

28、在一方实施中，所述玻璃钢板为玻璃纤维复合材料板。

29、与现有技术相比，本技术的技术方案具备以下有益效果：

30、该基于超声换能器分布式多点布置的超声波导波除冰方法，采用分布式多点布置的压电换能器，使叶片表面能量分布更均匀，相比现有单一或简单多点布置的方案，除冰时间明显缩短，显著提高除冰效率；

31、该基于超声换能器分布式多点布置的超声波导波除冰方法，通过合理的分布式多点布置，叶片各个区域的剪切应力均能达到或超过冰层的粘附强度，避免了局部区域除冰不彻底的问题，增强除冰均匀性；

32、该基于超声换能器分布式多点布置的超声波导波除冰方法，针对风机叶片复杂曲面设计的分布式多点布置，能更好地适应叶片形状，同时为后续研究叶片旋转状态下的除冰效能奠定基础，使除冰效果在动态工况下仍能保持稳定，对复杂曲面和动态工况适应性提升；

33、该基于超声换能器分布式多点布置的超声波导波除冰方法，相较于电热除冰等技术，本发明的超声波除冰技术能耗更低，有利于降低风电场的运营成本；

34、该基于超声换能器分布式多点布置的超声波导波除冰方法，提高除冰效率和减少停机时间可增加风力发电的发电量，带来显著的经济效益，另外，从技术角度，推动了超声波除冰技术在风力发电领域的实际应用和发展。