多翼型粘弹性阻尼层叶片气动性能分析和动态设计优化

摘要

叶片是风力机捕捉风能的关键部件，其工作环境的复杂性对叶片的气动性能、动态特性、结构强度和刚度以及稳定性提出了更高的要求。因此，优化设计叶片气动性能，减小动态响应，提高叶片强度和刚度，抑制叶片振动对风力机长期高效稳定运行具有重要意义。
　　本文建立2MW风力机叶片有限元模型，并通过固有频率和静强度理论验证模型合理性。对模型进行模态分析，确认动态薄弱区域。将粘弹性阻尼材料加入叶片中，利用Full（完全法）对叶片进行谐响应分析，得到额定风速和切出风速情况下，粘弹性阻尼层不同层数和不同厚度叶片动态挥舞方向位移和应变能响应规律。
　　基于应变能变化率方法，建立叶片耗损特性模型，得到粘弹性阻尼层不同厚度，不同弹性模量以及叶片损伤对叶片耗损特性的影响规律。
　　根据叶片气动性能理论分析和Wilson设计模型选择2MW多翼型叶片，建立2MW风力机多翼型叶片有限元模型，将粘弹性阻尼材料加入叶片中，通过额定风速载荷作用下的谐响应分析，分析粘弹性阻尼层不同层数和不同厚度对多翼型叶片动态特性的影响，并对多翼型叶片和单翼型叶片挥舞方向的动态位移和应变能响应等动态特性进行了比较。
　　研究结果表明:只有综合考虑粘弹性阻尼层层数和厚度，才能有效的降低叶片的动态响应，实现对叶片振动控制;同时，粘弹性阻尼层厚度对叶片耗损特性具有重要影响，粘弹性阻尼层对叶片损伤在一定程度上具有修复能力，可以抵抗损伤;多翼型叶片和单翼型叶片动态特性比较可知，多翼型粘弹性阻尼层叶片具备更良好的动态特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 粘弹性阻尼层叶片动态特性的研究现状

1．2．2 粘弹性阻尼层叶片耗损特性研究现状

1．2．3 多翼型叶片气动性能分析与动态特性研究现状

1．3 本文研究内容

第二章 风力机叶片有限元模型

2．1 叶片有限元模型

2．1．1 叶片结构简介

2．1．2 叶片的有限元建模

2．2 叶片模态分析

2．3 叶片有限元模型合理性验证

2．3．1 固有频率验证叶片模型合理性

2．3．2 静强度分析验证叶片模型合理性

2．4 本章小结

第三章 粘弹性阻尼层对叶片动态特性的影响分析

3．1 粘弹性阻尼材料简介

3．1．1 粘弹性材料的阻尼机理

3．2 叶片危险区域分析及施加简谐载荷

3．2．1 叶片危险区域分析

3．2．2 风载荷简谐激励

3．3 额定风速下未加阻尼层叶片动态响应分析

3．4 额定风速下粘弹性阻尼层叶片动态响应分析

3．4．1 粘弹性阻尼层不同层数对叶片动态特性的影响

3．4．2 粘弹性阻尼层不同厚度对叶片动态特性的影响

3．5 切出风速下粘弹性阻尼层叶片动态响应分析

3．6 本章小结

第四章 粘弹性阻尼层叶片动态耗损特性分析

4．1 粘弹性材料耗损特性分析

4．2 应变能变化率及耗损模型建立

4．2．1 应变能计算

4．2．2 耗损特征模型建立

4．3 粘弹性阻尼层叶片耗损特性分析

4．3．1 粘弹性阻尼层厚度对叶片频率和耗损特征值的影响

4．3．2 粘弹性阻尼层模量对叶片频率和耗损特征值的影响

4．4 叶片刚度损伤对叶片耗损特征值的影响

4．4．1 叶片刚度损伤理论

4．4．2 叶片刚度损伤对叶片频率和耗损特征值的影响

4．5 本章小结

第五章 粘弹性阻尼层对多翼型叶片动态特性影响的研究

5．1 多翼型叶片特点

5．2 叶片气动性能分析

5．2．1 叶素动量理论

5．2．2 叶素受力分析

5．2．3 叶片气动外形优化设计模型

5．2．4 叶片气动外形优化设计步骤

5．2．5 1．5MW多翼型叶片翼型确定

5．3 2MW多翼型叶片有限元模型建立

5．3．1 多翼型叶片建模

5．3．2 多翼型叶片模态分析

5．3．3 多翼型叶片研究单元选取

5．4 多翼型叶片与单翼型叶片动态响应特性比较

5．4．1 多翼型叶片动态响应分析研究

5．4．2 多翼型叶片与单翼型叶片动态响应特性对比研究

5．5 粘弹性阻尼层对多翼型叶片动态响应特性比较

5．5．1 粘弹性阻尼层不同层数对多翼型叶片动态响应的影响

5．5．2 粘弹性阻尼层不同厚度对多翼型叶片动态响应的影响

5．6 本章小结

第六章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢