大型风力机复合材料叶片弯扭耦合特性研究

摘要

风力机叶片的大型化使得其柔度增加，变形效应显著，同时使得其质量增加，叶片承受的载荷增大。弯扭耦合叶片在风载荷的作用下，发生弯曲变形的同时产生扭转变形，可用于降低叶片承受的冲击载荷，拓宽风力机正常运行的风速范围。本文研究了大型风力机复合材料叶片弯扭耦合效应的产生机理、弯扭耦合特性的描述方法，从解析解、实验解和数值解的角度研究了弯扭耦合特性，设计了5MW弯扭耦合叶片。论文的主要研究内容及成果如下:
　　(1)从材料耦合和结构耦合两个方面阐述了大型风力机复合材料叶片的弯扭耦合效应。提出了描述叶片弯扭耦合特性的节点位移法，该方法定义了基于叶片等效梁模型节点位移的弯扭耦合向量和等效弯扭耦合系数，从变形的角度将弯扭耦合特性视为叶片的整体属性，将结构耦合和材料耦合均考虑在内。对弯扭耦合效应的产生机理及弯扭耦合特性描述方法的研究为叶片弯扭耦合特性分析奠定了基础。
　　(2)将风力机叶片简化为复合材料层合板梁，基于经典层合板理论，推导了弯曲和扭转变形的计算公式，从材料耦合角度解释了层合板梁的弯扭耦合现象;推导了在集中力作用下，悬臂复合材料层合板梁弯扭耦合向量和等效弯扭耦合系数的解析表达式;研究了材料耦合、结构耦合中的长度耦合对叶片弯扭耦合特性的影响，并与传统的截面刚度法进行了比较。
　　(3)分别设计并制作了具有不同偏轴铺层角度的均匀对称铺层层合板和具有不同耦合区域的非均匀对称铺层层合板;采用悬线法对两类层合板进行了弯扭耦合特性测量实验;制作了与层合板同一材料的标准拉伸试件，测量得到了该材料的力学性能参数;依据力学性能参数和层合板的几何尺寸参数建立有限元模型，计算了两类层合板变形及弯扭耦合系数的数值解，将实验测量结果与数值解进行比较，分析了实验误差产生的原因。研究表明:节点位移法能够合理、准确地描述层合板的弯扭耦合特性，同时弯扭耦合实验也验证了叶片弯扭耦合特性解析解的研究结论。
　　(4)采用截面特性计算方法研究了翘曲效应、腹板位置及个数，材料耦合和主梁型式对叶片截面耦合的影响;提出了基于三维壳有限元-梁模型的风力机叶片弯扭耦合特性计算方法;采用该计算方法分析了材料耦合和结构耦合对风力机叶片主梁弯扭耦合特性的影响。研究结果表明:翘曲效应、腹板的有无及主梁型式对截面耦合影响很大，腹板位置及个数、材料耦合对截面耦合的影响可忽略;基于叶片三维壳有限元-梁模型的叶片弯扭耦合特性计算方法中给出的节点位移计算方法具有较高的计算效率和精度。对叶片主梁的弯扭耦合特性分析为叶片的弯扭耦合特性研究提供了基础。
　　(5)基于三维壳有限元-梁模型的风力机叶片弯扭耦合特性计算方法，编写了风力机叶片模态及弯扭耦合特性分析软件。基于上述工作中得到的弯扭耦合特性的研究结论，设计了5MW参数化弯扭耦合叶片，利用自编软件计算了各参数化弯扭耦合叶片的弯扭耦合特性，并从中确定了具有较优弯扭耦合特性的5MW弯扭耦合叶片;计算了该5MW弯扭耦合叶片在正常发电工况下的静、动态特性。计算结果表明:设计的5MW弯扭耦合叶片具有较显著的弯扭耦合效应;转速对弯扭耦合叶片和非弯扭耦合叶片的动态特性的影响规律相同。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 风力机叶片研究现状

1．2．1 叶片力学模型

1．2．2 截面特性计算

1．3 弯扭耦合叶片研究现状

1．3．1 实现方式

1．3．2 弯扭耦合特性描述

1．3．3 耦合影响因素分析

1．3．4 弯扭耦合叶片应用

1．4 本文工作

第2章 复合材料叶片弯扭耦合特性描述方法

2．1 引言

2．2 复合材料叶片弯扭耦合效应

2．2．1 材料耦合

2．2．2 结构耦合

2．3 叶片弯扭耦合特性描述方法

2．3．1 截面刚度法

2．3．2 节点位移法

2．4 叶片弯扭耦合向量求解

2．5 本章小结

第3章 基于层合板理论的叶片弯扭耦合特性解析解

3．1 引言

3．2 层合板梁弯扭耦合现象

3．2．1 平面应力状态单层板本构方程

3．2．2 层合板本构方程

3．2．3 层合板梁本构方程

3．2．4 层合板梁弯扭变形计算

3．3 集中力作用下悬臂层合板梁的弯扭耦合特性计算

3．3．1 均匀对称铺层层合板梁

3．3．2 非均匀对称铺层层合板梁

3．4 层合板梁弯扭耦合特性算例

3．4．1 均匀对称铺层层合板

3．4．2 非均匀对称铺层层合板

3．5 本章小结

第4章 层合板弯扭耦合特性实验研究

4．1 引言

4．2 材料特性测量

4．2．1 实验过程

4．2．2 实验结果分析

4．3 弯扭耦合实验方案设计

4．3．1 试件制作

4．3．2 测量原理

4．3．3 测量方法及过程

4．4 弯扭耦合实验结果分析

4．4．1 均匀铺层层合板

4．4．2 非均匀对称铺层层合板

4．5 本章小结

第5章 风力机复合材料叶片弯扭耦合特性数值研究

5．1 引言

5．2 叶片截面耦合分析

5．2．1 截面特性计算

5．2．2 翘曲效应对截面刚度的影响

5．2．3 腹板对截面剪心位置的影响

5．2．4 材料耦合对截砥剪心位置的影响

5．2．5 主梁型式的影响

5．3 基于三维壳有限元—梁模型的风力机叶片弯扭耦合特性计算方法

5．3．1 梁模型及其柔度矩阵

5．3．2 截面参考中心位移

5．3．3 叶片梁模型柔度矩阵求解

5．3．4 叶片梁模型节点位移计算(SSM)

5．3．5 叶片弯扭耦合特性计算

5．3．6 算例

5．4 叶片主梁弯扭耦合特性分析

5．5 本章小结

第6章 5MW风力机叶片弯扭耦合特性数值研究

6．1 引言

6．2 风力机叶片模态及弯扭耦合特性分析软件

6．2．1 流程图

6．2．2 软件界面

6．3 叶片三维壳有限元模型

6．3．1 叶片几何模型

6．3．2 叶片有限元模型

6．3．3 叶片截面特性

6．4 叶片弯扭耦合特性分析

6．4．1 弯扭耦合叶片

6．4．2 耦合特性分析

6．5 正常发电工况下5MW弯扭耦合叶片静动态特性分析

6．5．1 静态特性

6．5．2 动态特性

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介