大型風力機葉片結構分析及鋪層設計研究.pdf

1、風力發(fā)電在能源結構中所占的比例日益顯著，研制5MW及5MW以上的超大型風力機是風力發(fā)電發(fā)展的必然趨勢。超大型風力機的葉片比正在運行的風力機葉片大很多，玻璃纖維復合材料已經不能滿足葉片強度與質量的要求。超大型風力機葉片的材料大都采用玻璃纖維和碳纖維復合材料。超大型風力機除了材料的高要求以外，還要求在滿足葉片的強度要求下，盡可能的降低葉片的質量，減小成本。
　　風力機葉片是一個細長的柔性體，受到風壓載荷作用會發(fā)生較大的變形。為了使變形

2、后的葉片仍具有良好的氣動性能，通常將風力機的葉片做成預彎式葉片。預彎的風力機葉片在風壓載荷的作用下，發(fā)生的變形剛好和預彎的葉片變形量相抵消，使得葉片在氣動載荷作用下還能夠具有良好的氣動性能。
　　本文進行 NH02_1.5MW風力機葉片的結構分析及其鋪層設計研究，通過流固耦合分析得到風力機葉片在額定工況下的結構響應,完成復合材料葉片的鋪層設計;利用FLUENT軟件計算得到葉片在額定工況下迎風面和背風面的壓力載荷，并將得到的壓力載荷

3、加載到設計好的復合材料風力機葉片上，得到額定工況下葉片的結構響應；根據得到結構分析結果，對葉片鋪層結構進行強度分析；最后對復合材料葉片進行模態(tài)分析，分析自由狀態(tài)下，葉片的固有頻率及模態(tài)振型。具體研究內容如下：
　　1、完成了NH02_1.5MW風力機葉片的建模，利用ANSYS Workbench分析了葉片在額定工況下的流固耦合的結構響應，葉片材料選擇結構鋼材料。結果表明：在額定工況下，風力機葉片的將發(fā)生較大的變形，最大變形量發(fā)生在

4、葉片的葉尖處；葉片根部和葉片中部靠近葉尖1/4的部位的應力較大。
　　2、根據流固耦合分析的結果，結合復合材料鋪層的鋪層要求，建立復合材料風力機葉片模型。在本文中，分別建立雙腹板葉片模型和單-雙腹板葉片模型，單-雙腹板是從葉片中部靠近葉尖1/4的地方將雙腹板改成單腹板且從單腹板開始的地方鋪層和主梁位置保持不變。
　　3、用FLUENT計算得到風力機葉片表面的壓力載荷。求解結果顯示：沿著葉片翼展方向，葉片迎風面與背風面的壓力差

5、值逐漸增大，在葉片的葉尖部分達到最大值，葉片葉尖部分是葉片主要出力的位置。將壓力載荷加載到復合材料葉片上，分析兩種復合材料葉片在額定工況下的結構響應。結果表明：單-雙腹板葉片和雙腹板葉片的葉片變形量都小于葉片預彎變形量（1760mm），單-雙腹板葉片的葉尖變形量1582.2mm比雙腹板葉片葉尖變形量1459.04mm稍大；單-雙腹板葉根處最大應力值40.03326Mp比雙腹板最大應力值36.419MP葉片大；纖維復合材料具有能夠很好傳遞

6、載荷的特性，復合材料葉片的靠近葉尖位置處的應力傳遞到葉根處，使得葉根處的最大應力值達到了40.03326Mp，與結構鋼葉片葉根處的應力值23Mp相比，增加了74％，但是經過蔡—吳強度理論校核，滿足葉片強度要求。
　　4、用ANSYS軟件對復合材料葉片進行模態(tài)分析，分析葉片在自由狀態(tài)下的固有頻率和振型圖。結果表明：單-雙腹板的質量比雙腹板的質量減小了6%，由于葉尖部分處于不同的轉動狀態(tài)，所以減小質量對于超大型風力機葉片有著重要的意義