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小型风力发电机叶片设计与制造工艺研究

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第一章绪论

1.1引言

1.2世界风力发电的历史、现状及前景

1.3风力发电机叶片技术的发展与现状

1.4风力发电机叶片翼型的设计及研究情况

1.5课题的来源及研究的目的和意义

1.5.1课题来源及意义

1.5.2本课题的研究内容及目的

1.5.3本课题的研究步骤与方法

第二章风力发电机的基本理论

2.1引言

2.2贝茨理论

2.3翼型的相关定义

2.4叶素理论

2.5葛劳渥旋涡理论及叶片外形的确定

2.5.1风轮的旋涡系

2.5.2叶片外形的确定

第三章叶片的设计

3.1引言

3.2风力发电机的设计要求

3.3叶片的设计

3.3.1风轮直径的确定

3.3.2叶尖速比系数的确定

3.3.3风轮的叶片数

3.3.4翼型的选择

3.3.5确定翼型的设计升力系数和最佳攻角

3.3.6控制截面的选择

3.3.7确定各个控制截面的弦长与安装角

3.4基于Pro/Engineer的叶片实体建模

第四章叶片模具的设计与制造

4.1引言

4.2根据叶片的实体模型设计制造模具

4.2.1模具的设计

4.2.2模具的加工仿真与制造

4.3边界混合法设计制造模具

4.3.1控制截面材料的准备

4.3.2控制截面的加工处理

4.3.3模具框架的制造

4.3.4翼型板的固定

4.3.5模具的成形与修整

第五章叶片制造工艺研究及材料性能测试

5.1复合材料概述

5.1.1风力发电机叶片常用复合材料

5.1.2玻璃纤维树脂复合材料风力发电机叶片的优势

5.1.3纤维增强树脂复合材料常用成型工艺

5.2叶片制造工艺研究

5.2.1材料的准备

5.2.2树脂胶液的配制

5.2.3稀释剂的使用

5.2.4脱模剂的选择与使用

5.2.5纤维和树脂的体积配比

5.2.6固化温度与固化度的关系

5.2.7复合材料的物理特性

5.3复合材料力学性能测试

5.3.1复合材料力学性能测试概述

5.3.2实验设备

5.4强度性能测试

5.4.1面内拉伸强度测试

5.4.2层间拉伸强度的测定

5.4.3剪切强度测试

5.5弹性性能测试

5.5.1弹性性能实验的目的和意义

5.5.2各向异性弹性力学简介

5.5.3E11和μ12的测量

5.5.4 G12的测量

5.5.5E33和μ31的测量

5.5.6μ13的计算

5.5.7 G31的测量

第六章叶片结构确定及性能实验

6.1引言

6.2叶片内部支撑结构的确定

6.3叶片的有限元分析

6.3.1几何模型的建立

6.3.2单元的选取与参数的设置

6.3.3材料属性的设置

6.3.4单元网格的划分

6.3.5边界条件

6.3.6强度准则

6.3.7叶片的分析与结果

6.4铺敷层数和结合面尺寸的确定

6.4.1根据正应力确定铺敷层数

6.4.2根据剪应力确定接合面尺寸

6.5叶片破坏预测与模态分析

6.5.1叶片的破坏预测

6.5.2叶片模态分析及结果

6.6叶片的制造

6.7叶片性能实验

6.7.1静态应力测试

6.7.2振动特性测试

第七章结论与展望

7.1结论

7.2待解决的问题

7.3展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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摘要

随着化石能源的过渡消耗以及其对环境带来的严重影响,风能凭借其清洁、可循环利用等诸多优点而越来越受到重视,各国都在积极开发利用本国的风能资源,中国也不例外。本文根据广西教育厅科技立项项目《1KW风力发电机产品的研究开发》的要求,探索小型风力发电机复合材料叶片设计与制造方法。 主要研究结果如下: 1.根据风力发电机叶片设计的经典理论设计叶片的外形,利用三维建模软件建立叶片的三维实体模型。其中根据叶片翼型数据较多的设计特点,在传统建模方法无法实现的情况下,提出了导入数据文件的建模方法,提高了模型的建立效率。 2.根据叶片的实体模型和每个设计截面数据,提出了数控仿真加工和曲面拟合两种叶片模具的设计与制造方法。这两种方法各具优缺点,并且优缺点互补,可以根据实际生产条件选用。 3.为了能够制造出轻质高强的叶片,对复合材料制造的关键工艺进行了试验研究分析,确定了相关工艺参数,并利用应变电测技术确定了复合材料的强度极限和弹性常数,为有限元分析工作提供了相关材料数据。 4.利用ANSYs有限元分析软件,使用复合材料层合单元Iinear Iayer99对叶片模型进行了静力分析和模态分析,根据分析结果确定了叶片内部结构、材料层数和接合面尺寸,并绘出叶片在不同风速下的应力情况图,同时确定出叶片的前十阶固有频率。 5.介绍了叶片的内部支撑结构的制造和合模工艺并完成了叶片的制造,最后对叶片进行静力实验和动态特性实验,并与有限元分析计算结果进行对比,说明有限元的分析结果可以用来作为叶片设计制造的依据。

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