大型风力机叶片损伤与疲劳动态分析计算

摘要

建立了风力机叶片的有限元模型，分析计算了风力机叶片在重力、离心力、风压力及其组合力作用下，叶片的应力应变，并对其进行了静力强度、刚度的校核。
　　 对大型风力机叶片进行了模态分析，求出了风力机叶片的固有频率和振型，分析提取了风力机叶片的低阶振动特性。通过研究叶片在风轮偏心激励下的动应力响应，找出了叶片的危险截面。通过模拟低温、结冰及质量偏心三种损伤故障，得出叶片在其故障下的动态响应特性。
　　 通过建立流场环境模型，施加风况函数，对叶片进行动态流场分析，进行其风况下的叶片瞬态分析，得出叶片的动态响应特性。在流场环境中模拟三种损伤故障，分别对其响应信号进行分析与处理，通过响应信号识别出不同的故障类型及其故障发生的位置，达到对叶片进行故障诊断的目的。
　　 对叶片进行铺层设计分析，分别研究不同轴向的铺层、轴向纤维比例和铺层层数对叶片动态性能的影响，研究分析了铺层设计对损伤故障的影响，设计出改善叶片动态特性的优化方案。
　　 对风力机叶片进行了疲劳分析，分别计算出叶片正常状态下的使用寿命与出现低温、结冰及质量偏心三种损伤时的使用寿命，分析出叶片出现损伤时对使用寿命的影响。

目录

文摘

英文文摘

学位论文的主要创新点

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 大型风力机叶片损伤分析的国内外发展现状

1.3 现代叶片结构动力学研究计算方法

1.4 主要研究内容

第二章 叶片有限元建模与静力分析

2.1 叶片有限元建模

2.1.1 叶片结构

2.1.2 复合材料铺层的设定

2.1.3 叶片的有限元建模

2.2 叶片静力分析

2.2.1 叶片在重力作用下的强度刚度校核

2.2.2 叶片在离心力作用下的强度刚度校核

2.2.3 叶片在风压作用下的强度刚度校核

2.2.4 叶片在组合静力作用下的强度刚度校核

2.3 本章小结

第三章 叶片及其损伤动态分析

3.1 叶片模态分析

3.2 叶片谐响应分析

3.3 叶片损伤模拟与分析

3.3.1 叶片低温的模拟与分析

3.3.2 叶片结冰的模拟与分析

3.3.3 叶片质量偏心的模拟与分析

3.4 本章小结

第四章 叶片动态流场分析

4.1 叶片流场建模

4.1.1 流场外形建模

4.1.2 极端运行阵风函数计算

4.2 叶片流场瞬态响应分析

4.2.1 叶片流场瞬态响应

4.2.2 频域分析

4.2.3 非线性分析

4.2.4 叶片不同位置处的响应特性

4.3 叶片流场损伤分析

4.3.1 叶片损伤分析方法

4.3.2 叶片低温损伤分析

4.3.3 叶片冰冻损伤分析

4.3.4 叶片质量偏心损伤分析

4.4 本章小结

第五章 铺层设计对叶片损伤的影响

5.1 铺层的一般设计原则

5.2 叶片的铺层强度设计

5.3 叶片的铺层设计与动态特性分析

5.3.1 不同轴向的铺层对叶片动应力的影响

5.3.2 ±45°纤维层所占比例的不同对叶片动应力的影响

5.3.3 铺层层数的变化对叶片动应力的影响

5.4 叶片铺层优化设计

5.5 叶片铺层设计对各类损伤的影响

5.5.1 低温损伤

5.5.2 冰冻损伤

5.5.3 质量偏心损伤

5.6 本章小结

第六章 叶片疲劳分析

6.1 叶片疲劳性能的有限元分析方法

6.1.1 S-N曲线的设定

6.1.2 叶片载荷

6.1.3 有限元疲劳参数的设定

6.2 叶片各种状态下的疲劳寿命

6.2.1 重力作用下的疲劳寿命

6.2.2 组合力作用下的疲劳寿命

6.2.3 各类损伤的疲劳寿命

6.3 本章小结

第七章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢