风力发电机复合材料叶片的结构应力分析和健康监测

摘要

叶片是风力发电机中最关键的部位，它的结构和受力相当复杂，是风力发电机中最容易出现的事故的位置。因此，要保证风力发电机安全运行的一个十分有效的办法就是对风力发电机叶片的健康监测。叶片的结构应力分析可以更加准确的把握健康监测的部位，同时光纤布拉格光栅（FBG）的运用又是健康监测的一大进步，提高了叶片监测的准确性和可行性。
　　本文从风力发电机叶片气动外型设计出发，结合经典的动量—叶素理论设计1.5MW大型风力发电机叶片气动外型，在有限元软件ANSYS中建立风力发电机叶片的有限元模型。由于风力发电机叶片对重量和材料的要求比较高，因此本文选用高强度玻璃钢复合材料作为风力发电机叶片的设计材料，既满足了叶片结构强度的要求，又使得叶片重量大大降低。
　　从叶片的结构应力分析中可以了解整个风力发电机叶片的应力应变分布，文章中主要分析了风力发电机叶片在均布载荷和重力作用下叶片的应力应变分析。根据结构应力分析结果对叶片相应部位的材料铺层做一些修改，以满足结构强度的要求。同时还对风力发电机叶片的有限元模型进行了模态分析，得出了风力发电机叶片固有频率和振型图。
　　风力发电机叶片运行中承受的主要载荷是风载。对叶片的风载荷的模拟计算有着十分重要的意义。本文中将风力发电机叶片分为许多翼型截面，利用FLUENT软件计算各个翼型截面在风载下的表面压力，提取翼型截面上各点压力值，在 MATLAB拟合出各翼型截面上压力和坐标的函数关系，将这些函数关系编写成 APDL程序，在 ANSYS软件中分步加载到有限元模型，并进行结构应力分析。
　　为了验证理论分析的正确性，本文用300W小型风力发电机叶片进行试验。这次试验是根据结构应力分析结果在该叶片上同时布置了光栅布拉格传感器（FBG）和应变片。在叶片制作过程中将光栅传感器埋入叶片铺层内部，叶片制作完成以后在表面贴上应变片。试验主要是做了叶片的单点和多点的加载试验，对实验数据和理论进行多方面对比。实验结果分析验证了理论模型分析的正确性，同时也证实了光栅传感器对于风力发电机叶片健康监测的可行性。

目录

风力发电机复合材料叶片的结构应力分析和健康监测

WIND TURBINE COMPOSITE MATERIAL BLADE STRUCTURAL STRESS ANALYSIS AND HEALTH MONITORING

摘要

Abstract

绪 论

1.1 国内外风电现状

1.2 本课题研究的目的和意义

1.3 风电发电机叶片健康监测的现状

1.4 本课题的主要研究内容

叶片相关理论及设计

2.1叶片翼型简介

2.2叶片设计的经典理论

2.3叶片设计方法

2.4 本章小结

第3章 叶片气动外型设计及有限元建模分析

3.1 引言

3.2 叶片气动外型设计

3.3 叶片有限元建模

3.4 叶片有限元分析

3.5 本章小结

第4章 叶片风载模拟计算

4.1 引言

4.2 叶片FLUENT风压模拟

4.3 MATLAB风压函数拟合

4.4 叶片风加载下的ANSYS计算

4.5 本章小结

第5章 埋入光纤光栅叶片的静载实验

5.1 引言

5.2 光纤光栅的结构和原理

5.3 风电叶片制作和静载实验

5.4 风电叶片实验数据分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢