大型风力机叶片结构的有限元数值计算方法的研究

摘要

夹层结构作为一种复合材料结构,由于其优越的材料性能,被广泛应用于航空航天、船舶制造、列车机车、体育运动器材、医用设备配件等领域。近年来,在风力机叶片中大量使用一种特殊的复合材料结构-矩形填充多孔材料夹层结构,因此,在叶片结构数值分析中对其数值计算方法的研究显得十分必要。
　　 本文以矩形填充多孔材料夹层结构作为研究对象,对夹芯层泊松比等效力学参数、夹层结构实体模型和等效模型以及风力机叶片结构的数值分析等方面进行了研究。
　　 针对矩形填充多孔材料夹芯层的特点,借鉴十字填充模型的分析方法,假设夹芯层等效体受单向应力,通过力学分析推导出矩形填充多孔材料夹芯层泊松比等效力学参数。
　　 本文从矩形填充多孔材料夹层结构的实际特点出发,将夹层结构表层面板和矩形填充多孔材料夹芯层都等效成正交各向异性复合材料,并且将矩形填充多孔材料夹芯层完整的等效力学参数作为夹层结构等效模型有限元数值分析时的输入参数,通过有限元数值分析,比较夹层结构等效模型与实体模型在相同外载、边界条件下的应力分布,位移变形量,固有频率。
　　 最后将夹层结构等效模型计算方法应用到风力机叶片蒙皮中,采用ANSYS有限元软件,计算给定载荷作用下的叶片固有频率,应力分布以及位移变形量,验证了夹层结构等效模型计算方法在风力机叶片结构中应用的可行性和合理性。

目录

文摘

英文文摘

图、表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 世界风电发展及现状

1.1.2 我国风电制造业面临的机遇和挑战

1.1.3 夹层结构简介

1.2 研究现状

1.2.1 夹层结构及其夹芯的研究状况

1.2.2 蜂窝夹层结构基本假设

1.2.3 计算模型

1.3 本文的主要工作

第二章 矩形填充多孔材料夹芯层泊松比参数推导

2.1 矩形填充多孔材料夹芯层1-3平面内的泊松比参数推导

2.1.1 在l方向受力状态下的泊松比μ13的推导

2.1.2 在3方向受力状态下的泊松比μ31的推导

2.2 矩形填充多孔材料夹芯层2-3平面内的泊松比参数推导

2.2.1 在2方向受力状态下的泊松比μ23的推导

2.2.2 在3方向受力状态下的泊松比μ32的推导

2.3 本章公式总结

第三章 有限元及其计算方法简介

3.1 有限元简介

3.1.1 有限元法的概念

3.1.2 有限元法的发展概况

3.1.3 有限元法的分析过程

3.2 有限元软件简介

3.2.1 有限元软件概述

3.2.2.ANSYS简介

3.3 几种常用的有限元等效计算方法

3.3.1 等效板理论

3.3.2 蜂窝板理论

3.4 夹层结构的有限元计算方法

3.4.1 三明治夹芯板理论

3.4.2 单元描述

第四章 矩形填充多孔材料夹层结构的有限元数值计算

4.1 有限元模型分析

4.1.1 实体模型有限元分析

4.1.2 等效模型有限元分析

4.2 算例

4.2.1 固有频率计算

4.2.2 集中力作用下的应力和位移计算

4.2.3 均布力作用下的应力和位移计算

4.3 夹层结构实体模型与等效模型的数值比较

4.3.1 实体模型和等效模型同有频率比较

4.3.2 实体模型和等效模型应力比较

4.3.3 实体模型和等效模型位移比较

第五章 风力机叶片结构的有限元数值计算

5.1 风力机叶片结构有限元建模

5.2 叶片结构固有频率及三种工况下的数值计算

5.2.1 风力机叶片结构的固有频率计算

5.2.2 挥舞工况下的数值计算

5.2.3 摆振正方向工况下的数值计算

5.2.4 摆振负方向工况下的数值计算

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 论文展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文