基于随机载荷的仿生风力发电机叶片可靠性研究

摘要

风能目前被认为是可再生能源中最具活力的一种，它有可能改变人类长期依赖于地下挖掘的矿物和核燃料，而且它是一种清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭。风力机叶片是整个风力发电装置中的关键部件，制造成本以及维修成本高昂，因此其疲劳性能以及可靠性更显得重要。风力发电装置需要安装在风力资源丰富的地方，大多为海边或偏僻的山顶野外，环境严酷。风力机叶片所受的载荷非常复杂，有确定的载荷，例如叶片的重力载荷，也有随机载荷，例如风速随机变化时产生的载荷。疲劳寿命估计是风力机玻璃钢叶片设计的重要方面，叶片的可靠性分析直接反映了叶片的可靠程度。本文基于仿生思想，提出了仿生设计的风力机叶片模型，从强度、刚度、动力学特性、疲劳性能以及可靠性等方面对所设计的小型和大型风力机叶片进行分析。主要工作包括：
　　 1.根据风力机的基本理论和风力机的相似理论设计了一个翼型为SG6050，半径为1m的小型风力机叶片，运用结构仿生学原理，对所设计的风力机叶片进行了仿生物骨架铺层设计，通过实验比较了不同铺层方式的风力机叶片的力学性能。
　　 2.通过大型有限元软件ANSYS的二次开发工具APDL语言建立了小型与大型风力机叶片的有限元模型。对叶片在不同的离轴纤维体积比以及不同风况下的静态和动态性能进行模拟，将数值模拟结果与实验结果进行对比，并与前人得到的7.5°与20°两种较优的铺层进行对比。
　　 3.运用结构仿生学原理，对所设计的风力机叶片进行铺层，其角度范围介于5°与90°之间，为体现骨架结构的对称性，正负铺层同时出现。利用基于响应面法的可靠性理论以及一次二阶矩法，并结合大型有限元软件ANSYS和MATLAB工具，比较了在随机载荷下不同铺层方式的风力机叶片的可靠指标及其失效概率。
　　 4.运用三相调速电机作为动力源，将三个风力机叶片通过轮毂安装在电机的转轴上，并通过电机的调速装置调节转速，模拟风力机叶片旋转的工作状况，直至风力机叶片的根部发生破坏，比较不同设计的叶片的旋转次数，即叶片的疲劳寿命。运用玻璃钢的S-N曲线以及Miner线性累积理论，在ANSYS中对小型和大型风力机叶片在不同的离轴纤维体积比下进行疲劳寿命分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 风力机叶片设计

1.2.2 叶片疲劳性能计算

1.2.3 叶片可靠性计算

1.3 课题研究意义

1.4 课题的来源及主要研究内容

1.4.1 课题的来源

1.4.2 课题的研究内容

第二章 风力机叶片随机载荷分析与仿生设计

2.1 风力机叶片载荷分析

2.2 仿生设计

2.2.1 仿生学的基本概念与研究方法

2.2.2 生物骨架概念与结构的自适应性

2.2.3 复合材料仿生与风力机叶片设计

2.3 本章小结

第三章 仿生风力机叶片的数值模拟与实验研究

3.1 有限元理论与风力机叶片建模

3.2 风力机叶片的数值模拟

3.2.1 静力分析

3.2.2 模态分析

3.3 风力机叶片的实验研究

3.3.1 风力机叶片的制造

3.3.2 静力应变实验

3.3.3 动态应变实验

3.4 本章小结

第四章 风力机叶片疲劳分析与可靠性分析

4.1 风力机叶片疲劳

4.1.1 风力机叶片疲劳分析

4.1.2 风力机叶片疲劳试验

4.2 可靠性理论

4.2.1 结构可靠度基本概念

4.2.2 结构可靠度与可靠指标

4.2.3 可靠指标计算的常用方法

4.3 风力机叶片的可靠性分析

4.3.1 风力机叶片的随机环境与力学自适应性

4.3.2 可靠性计算结果与比较

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

附 录

攻读硕士学位期间发表的论文

致 谢