基于ANSYS兆瓦级风力发电机叶片疲劳寿命分析

摘要

近些年，随着环境污染加剧、资源短缺以及人类对能源需求的增加，发展可再生新能源受到了各国政府的重视。风力发电作为风能的主要利用方式得到了空前的发展，全球累计装机容量逐年攀升，大容量风机成为了当前的主流。作为全球风电产业的领军者，我国风电科技也取得了较大的突破。叶片是吸收风能的主要部件，也是风电机组最核心的部件，其主要的损坏形式为疲劳损坏。为了确保风力发电机组运行安全可靠，风电机组设计时，必须要对叶片进行疲劳寿命分析。
　　本文首先分析了叶片在运行过程中受到的载荷情况，忽略了部分对风机叶片疲劳寿命影响较小的载荷。详述了主要的三大载荷气动载荷、重力载荷、惯性力载荷的计算理论和方法。介绍了风场风速分布预测的方法，依据 Weibull两参数分布函数计算了某风场风速分布数据。
　　利用Pro/E软件结合风机参数，建立了1.2MW和1.5MW级风力发电机叶片及风轮的三维几何模型。采用ANSYS Workbench对风轮模型进行流固耦合数值仿真分析，得到风机在各个风速工况下叶片表面的风压分布云图以及流场速度分布。接着对叶片模型进行线性静态结构分析以及疲劳分析，提取风机叶片在各个风速工况下的危险节点位置及对应的等效应力值，分析并验证了叶片根部为最容易产生疲劳损坏的区域。
　　详述了疲劳寿命曲线以及疲劳损伤累计理论。选取指数函数 S-N曲线和Palmgren-Mine线性疲劳损伤累计理论，结合数值仿真分析结果以及风场分布数据估算了一台1.2MW和1.5MW级风电叶片的疲劳寿命。
　　仿真计算结果表明，实验叶片满足设计要求。

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第1章 绪论

1. 1 课题研究的背景

1. 2 风电产业的发展

1. 3 风力发电机简介

1. 4 风机叶片简介

1. 5 疲劳概述

1. 6 国内外研究现状

1. 7 本课题的研究意义及工作内容

第2章 叶片载荷分析及风场风速分布计算

2. 1 引言

2. 2 风机基本理论

2. 3 叶片载荷计算

2. 4 风场风速分布计算

2. 5 本章小结

第3章 基于A N SY S叶片流固耦合分析

3. 1 引言

3.2 ANSYS软件介绍

3. 3 风机叶片及风轮三维几何模型建立

3. 4 流固耦合分析

3. 5 本章小结

第4章 基于A N SY S叶片结构分析

4. 1 引言

4. 2 线性静态结构分析

4. 3 等效应力谱

4. 4 本章小结

第5章 叶片疲劳寿命估算

5. 1 引言

5. 2 疲劳寿命曲线

5. 3 疲劳累计损伤理论

5. 4 叶片疲劳寿命计算

5. 5 本章小结

第6章 全文总结

参考文献

致谢

附录A 攻读研究生期间发表的学术论文