水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)及流固耦合計(jì)算.pdf

1、本文針對(duì)功率為3MW的大型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從葉片幾何模型設(shè)計(jì)建立、結(jié)構(gòu)形式確定到復(fù)合材料鋪層方案制定和優(yōu)化的整個(gè)過(guò)程，目的在于通過(guò)理論與有限元結(jié)合的方式形成一套風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的總體方案。
　　 首先根據(jù)相關(guān)資料和理論計(jì)算出葉片的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括風(fēng)輪半徑、葉片數(shù)、葉尖速比等。比較Glauert理論和Wilson理論后采用后者了進(jìn)行葉片外形設(shè)計(jì)，選定了一組包括FFA-W3-301和NACA63-415等的翼型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)調(diào)

2、整個(gè)別翼型得到擁有足夠弦高比的翼型FFWM-35和FFAM-40用于葉根部分的設(shè)計(jì)，編寫(xiě)出Matlab程序計(jì)算出攻角等參數(shù)，并將葉片模型每個(gè)葉素通過(guò)ibl文件的形式輸出，然后在建模軟件Pro/E中通過(guò)邊界混合工具建立起三維模型。隨后將葉片三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行進(jìn)一步的處理，添加了葉片內(nèi)部的腹板，并建立起葉片附近的流場(chǎng)和遠(yuǎn)離葉片的流場(chǎng)幾何模型，通過(guò)網(wǎng)格劃分得到ANSYS固體有限元模型和Fluent流體有限元模型

3、。
　　 接著確定葉片的載荷工況和邊界條件，包括風(fēng)速和湍流強(qiáng)度、湍流長(zhǎng)度尺度等，設(shè)置了載荷步數(shù)和求解時(shí)間，并通過(guò)AWB中的多場(chǎng)耦合新增輔助模塊SystemCoupling將ANSYS和Fluent進(jìn)行耦合計(jì)算，初步計(jì)算出葉片在氣動(dòng)載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)，得到葉片表面最大正風(fēng)壓值為963.5Pa，與理論的基本風(fēng)壓接近，從而判定有限元計(jì)算結(jié)果的具有一定的可靠性，且在0.4s時(shí)葉片有最大的變形，對(duì)應(yīng)的結(jié)果將作為設(shè)計(jì)下一部設(shè)計(jì)的依據(jù)。

4、進(jìn)行葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論研究，并根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果提取出復(fù)合材料鋪層主方向和板殼內(nèi)力作為設(shè)計(jì)參數(shù)，以層合板設(shè)計(jì)理論與受壓薄殼屈曲理論作為葉片的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，根據(jù)提取得到的設(shè)計(jì)參數(shù)編寫(xiě)出葉片復(fù)合材料鋪層厚度計(jì)算程序，得到葉片復(fù)合材料任意角度和變厚度的初步鋪層方案。
　　 利用穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果作為優(yōu)化的依據(jù)，對(duì)葉片鋪層方案進(jìn)行了調(diào)整，最后調(diào)整載荷步數(shù)為200步，時(shí)間調(diào)整為0.5s，重新進(jìn)行了葉片鋪層優(yōu)化前后的雙向流固耦合計(jì)