复合材料风机叶片气动计算与结构设计分析

摘要

本文所采用的风机叶片材料是玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料，以一种额定输出功率为20KW的风力发电机为研究基础，对该叶片进行了气动外形设计与气动性能分析，并通过建立有限元模型和压力耦合对叶片进行了结构设计分析。具体研究内容如下：
　　运用Wilson方法对其叶片进行了气动外形设计，得到了叶片展向上不同翼型面处的外形参数。然后运用SOLIDWORKS对风轮进行几何建模。
　　将叶片的几何模型导入Ansys Workbench中划分流场网格，然后选用CFX求解器对额定工况和10个非设计工况下的叶片模型进行气动计算。求解结束后在CFX-Post中对额定工况下的模型进行了流场分析，通过观察计算结果，分析了压力分布、展向上不同翼型面的流线与速度分布以及产生气动升力的机理。此外，利用计算结果对全部11个工况下的模型进行了气动性能分析，并发现该风机的最佳叶尖速比应该在7附近，而现实中额定工况下仅达到了3.6，相应的功率系数也仅为0.294，与预期值0.3744仍有较大差距。由此提出了改进方案，为该风机后续的气动设计优化提供了设计依据。
　　本文对叶片进行载荷分析并参考铺层设计规范，初步拟定铺层方案；然后使用Ansys ICEM对叶片进行结构网格的划分，运用Ansys建立了叶片的有限元计算模型。针对两种恶劣工况，利用压力耦合技术分别将风压加载到模型外表面的节点处，通过静强度分析，改进蒙皮、主梁等结构的铺层设计方案，使结构满足静强度要求；此外，对叶片结构进行了稳定性分析，结果表明两种工况下结构都满足稳定性要求。
　　最后，对叶片模型进行了模态分析。结果显示叶片一阶固有频率为2.6609，与额定工况的激振频率3.9比较接近，容易发生共振。由此提出了后续的结构合理化设计建议，改变叶片整体或局部的刚度，使固有频率远离风轮转动频率或其它组件的固有频率，避免发生共振。

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第1章 绪论

1.1课题背景

1.2风力机叶片的简述

1.3本文的主要研究内容及研究意义

第2章 计算流体力学与计算固体力学理论基础

2.1计算流体力学（CFD）理论基础

2.2计算固体力学理论基础

2.3流固耦合概述

2.4本章小结

第3章 风机翼型的基础知识与叶片的气动理论分析

3.1风机风轮设计概述

3.2风机翼型的基础知识

3.3叶片的气动设计理论与方法

3.4气动外形设计算例

3.5本章小结

第4章 风力机叶片模型的气动计算与流场分析

4.1叶片翼型的选择

4.2利用SOLIDWORKS建立叶片几何模型

4.3叶片的气动计算与流场分析

4.4本章小结

第5章 复合材料叶片有限元模型的压力耦合与结构设计分析

5.1风力机叶片的选材

5.2风机叶片强度与刚度的计算

5.3叶片的横截面构造及其结构铺层设计要点

5.4 叶片有限元计算模型的建立与压力耦合

5.5叶片结构的静强度分析

5.6叶片结构的稳定性分析

5.7叶片结构的模态分析

5.8本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和研究成果

致谢