大型风力机叶片结构分析及铺层设计研究

摘要

风力发电在能源结构中所占的比例日益显著，研制5MW及5MW以上的超大型风力机是风力发电发展的必然趋势。超大型风力机的叶片比正在运行的风力机叶片大很多，玻璃纤维复合材料已经不能满足叶片强度与质量的要求。超大型风力机叶片的材料大都采用玻璃纤维和碳纤维复合材料。超大型风力机除了材料的高要求以外，还要求在满足叶片的强度要求下，尽可能的降低叶片的质量，减小成本。
　　风力机叶片是一个细长的柔性体，受到风压载荷作用会发生较大的变形。为了使变形后的叶片仍具有良好的气动性能，通常将风力机的叶片做成预弯式叶片。预弯的风力机叶片在风压载荷的作用下，发生的变形刚好和预弯的叶片变形量相抵消，使得叶片在气动载荷作用下还能够具有良好的气动性能。
　　本文进行 NH02_1.5MW风力机叶片的结构分析及其铺层设计研究，通过流固耦合分析得到风力机叶片在额定工况下的结构响应,完成复合材料叶片的铺层设计;利用FLUENT软件计算得到叶片在额定工况下迎风面和背风面的压力载荷，并将得到的压力载荷加载到设计好的复合材料风力机叶片上，得到额定工况下叶片的结构响应；根据得到结构分析结果，对叶片铺层结构进行强度分析；最后对复合材料叶片进行模态分析，分析自由状态下，叶片的固有频率及模态振型。具体研究内容如下：
　　1、完成了NH02_1.5MW风力机叶片的建模，利用ANSYS Workbench分析了叶片在额定工况下的流固耦合的结构响应，叶片材料选择结构钢材料。结果表明：在额定工况下，风力机叶片的将发生较大的变形，最大变形量发生在叶片的叶尖处；叶片根部和叶片中部靠近叶尖1/4的部位的应力较大。
　　2、根据流固耦合分析的结果，结合复合材料铺层的铺层要求，建立复合材料风力机叶片模型。在本文中，分别建立双腹板叶片模型和单-双腹板叶片模型，单-双腹板是从叶片中部靠近叶尖1/4的地方将双腹板改成单腹板且从单腹板开始的地方铺层和主梁位置保持不变。
　　3、用FLUENT计算得到风力机叶片表面的压力载荷。求解结果显示：沿着叶片翼展方向，叶片迎风面与背风面的压力差值逐渐增大，在叶片的叶尖部分达到最大值，叶片叶尖部分是叶片主要出力的位置。将压力载荷加载到复合材料叶片上，分析两种复合材料叶片在额定工况下的结构响应。结果表明：单-双腹板叶片和双腹板叶片的叶片变形量都小于叶片预弯变形量（1760mm），单-双腹板叶片的叶尖变形量1582.2mm比双腹板叶片叶尖变形量1459.04mm稍大；单-双腹板叶根处最大应力值40.03326Mp比双腹板最大应力值36.419MP叶片大；纤维复合材料具有能够很好传递载荷的特性，复合材料叶片的靠近叶尖位置处的应力传递到叶根处，使得叶根处的最大应力值达到了40.03326Mp，与结构钢叶片叶根处的应力值23Mp相比，增加了74％，但是经过蔡—吴强度理论校核，满足叶片强度要求。
　　4、用ANSYS软件对复合材料叶片进行模态分析，分析叶片在自由状态下的固有频率和振型图。结果表明：单-双腹板的质量比双腹板的质量减小了6%，由于叶尖部分处于不同的转动状态，所以减小质量对于超大型风力机叶片有着重要的意义；单-双腹板的低阶频率和双腹板的低阶频率的差别不大，单-双腹板的高阶频率比双腹板的高阶频率大，在风力机的叶片设计中，通常只关注叶片的低阶频率，所以本文中的设计是合理的。

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第1章绪论

1.1风电发展现状

1.2课题背景

1.3国内外研究现状

1.4课题意义及研究内容

第2章 叶片气动设计理论

2.1基本概念及其原理

2.2风力机叶片气动理论

本章小结

第3章 叶片结构设计理论

3.1复合材料基本概念

3.2单层板的应力应变

3.3层合板

3.4经典层合板理论

3.5复合材料强度理论

本章小结

第4章 叶片有限元模型

4.1风力机主要参数

4.2风力机叶片建模

本章小结

第5章 风力机叶片流固耦合分析

5.1流场分析

5.2结构分析

本章小结

第6章 叶片结构有限元分析

6.1复合材料铺层要求

6.2叶片固有频率

6.3复合材料叶片建模

6.4叶片压力求解

6.5铺层建模

6.6压力加载

6.7求解设置

6.8求解结果

6.9铺层强度校核

6.10模态分析

本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

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