一种风速传感器的结构设计与分析

摘要

国家大力提倡使用清洁能源，风能作为一种可再生能源在人类以后的生产生活中都具有重大的意义。风是由于空气的流动产生的。作为一种流体，它也有两种不同的状况:层流和紊流。在近地面或者是风速比较小的情况下才会有层流的发生，当风速提高时，层流就会变成紊流。气象学上将风是作为一种二维矢量来考虑的，即风速（风矢量的模数）和风向（风矢量的幅角）。风速传感器已经在生产中大规模使用，但是总有或多或少的缺点。基于此，本文设计了一种新型风速传感器，能够同时测量出风速和风向，并且在一些雨雪等恶劣天气下能够保证正常使用。
　　大气中主要考虑风的水平速度，也就是将风速考虑为一个二维矢量。因此设计了一种由圆球、圆柱固定杆以及十字梁组成的二维风速传感器。当圆球收到水平风速作用时，圆球产生一绕流阻力，同时通过圆柱固定杆对十字梁产生一力矩作用，使得十字梁发生变形，生成应变，最后可根据十字梁上的应变大小确定风速的大小和方向。
　　本文首先对新型风速传感器的工作原理做了详细的叙述，计算出数学模型，运用Fluent软件对圆球绕流模型数值仿真，建立不同风速和圆球所受力之间的对应关系。运用Workbench软件对传感器进行静力学仿真分析，分析在不同风速下传感器十字弹性梁的应变，并将仿真结果和理论模型比较，彼此验证两者的准确性。然后是运用ANSYS Workbench软件对传感器进行结构尺寸的优化，建立传感器应变和十字弹性梁结构尺寸之间的关系，对传感器尺寸进行正交试验，选择合理的结构尺寸，并对传感器进行了强度校核。最后是对传感器进行流固耦合分析，并且建立传感器风速和应变之间的数学模型，得到传感器的测量范围，并且简单介绍了传感器在测量时的的注意事项。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源及研究的目的和意义

1．2 风速计的种类

1．3 国内外风速计的研究及发展现状

1．4 课题的提出及论文的主要内容

第二章 新型风速传感器的工作原理和理论分析

2．1 引言

2．2 传感器的工作原理

2．3 常见传感器的微力测量原理比较分析

2．4 传感器的理论模型计算

2．5 建立传感器风速风向输出和应变关系

2．6 风速传感器的总体结构

2．7 总结

第三章 风速传感器的静力学分析

3．1 引言

3．2 风速传感器传力球壳的风速与受力分析

3．2．1 边界层的形成与转捩

3．2．2 三维圆球绕流阻力分析

3．2．3 圆球绕流数值仿真

3．2．4 圆球绕流模型的建立

3．2．5 边界条件和求解计算器的选择

3．2．6 仿真结果的分析

3．3 对整体结构的仿真分析

3．4 仿真结果和理论结果的分析和比较

3．5 传感器的应变片的贴片位置及其测量原理

3．6 总结

第四章 基于ANSYS Workbench的传感器十字梁优化设计

4．1 引言

4．2 各参数对比试验

4．3 正交试验的设计

4．3．1 确定试验因素、试验水平、试验指标

4．3．2 正交试验的极差分析

4．4 优化后的模型的结构静力学分析

4．5 传感器优化后的强度校核

4．6 总结

第五章 风速传感器的动力学分析和流固耦合分析

5．1 引言

5．2 动力学分析

5．2．1 动力学分析的介绍

5．2．2 传感器的模态分析

5．3 风速传感器的流固耦合分析

5．4 建立风速-应变之间的数学模型

5．5 风速传感器样机的制造

5．6 总结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况