冰雹冲击风电叶片的应力特性研究

【摘要】：风能作为一种无污染、可再生、能量大且前景广阔的能源,已经引起了世界各国的重视及利用。叶片作为风力机的力源,其结构和受力相当复杂,是风电系统中最容易出现故障的部位,因此叶片的选材、设计、健康监测及检测被视为风力发电设备性能和安全运行的关键。叶片的冲击应力分析可以清晰明确地体现出叶片结构中各区域抗冲击能力的强弱以及每个区域受到冲击时的应力分布,从而为叶片的结构设计、各部位材料的铺层设计提供重要的参考依据;而且通过应力分析可以更加准确地把握健康监测的部位,为传感器的布置提供重要的理论依据;另外,通过对含预裂纹叶片的冲击特性以及裂纹的扩展方式研究,为叶片的检测以及裂纹的修补提供重要的参考价值。基于现有的风力发电机叶片设计基础理论,论文分析了风电叶片气动参数、结构参数的构成,探讨了叶片材料和构造形式的选择,研究了叶片初始结构设计的理论方法。论文基于风电叶片的材料进行了冰雹冲击模拟仿真,分析了平板承受冰雹冲击时的应力特性以及应力波的传播特性,并通过不同材料的冲击仿真对比,研究了与材料无关的应力特性;应用控制变量法研究了冲击过程中对应力造成影响的主要因素。运用叶片初始结构设计方法对叶片进行了初始结构设计,建立了叶片的三维模型及其有限元模型,基于叶片上结构不同的位置进行了冰雹冲击仿真模拟,详细分析了叶片结构对应力特性的影响,以及各区域位置上应力及应力波传播的特性,对比了不同结构位置上所体现的应力特性差异及其抗冲击能力的强弱。研究了裂纹的产生及扩展机理,建立了含预裂纹叶片的有限元模型,分析对比了冰雹冲击预裂纹叶片与无损叶片的应力特性差异,以及冰雹冲击裂纹附近不同方位不同角度位置时应力特性的差异,并详细论述了裂纹的扩展趋势。 【关键词】：碳纤维增强复合材料板 风电叶片 含预裂纹叶片 应力特性 应力波传播特性
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外发展现状及趋势12-13
• 1.2.1 风电叶片材料的发展历程及现状12-13
• 1.2.2 冰雹冲击复合材料研究现状13
• 1.3 风电叶片的主要缺陷种类13-15
• 1.3.1 生产制作缺陷13-14
• 1.3.2 运输及安装造成的损伤缺陷14
• 1.3.3 叶片服役损伤缺陷14-15
• 1.4 本论文的主要研究内容及组织安排15-16
• 1.5 本章小结16-17
• 2 风电叶片基本理论及参数计算依据17-25
• 2.1 叶片主要参数17-20
• 2.1.1 几何参数17-19
• 2.1.2 结构参数19-20
• 2.2 叶片结构理论基础20-22
• 2.2.1 叶片材料的选取20-21
• 2.2.2 叶片构造形式的选择21-22
• 2.3 叶片结构设计理论22-23
• 2.4 本章小结23-25
• 3 冰雹对风电叶片材料的冲击特性仿真分析25-43
• 3.1 数值模型的建立25-27
• 3.2 冰雹冲击平板的应力特性分析27-36
• 3.2.1 碳纤维复合材料板27-32
• 3.2.2 玻璃纤维复合材料板32-36
• 3.3 影响因素36-40
• 3.3.1 冰雹质量对冲击应力的影响36-37
• 3.3.2 速度对冲击应力的影响37-39
• 3.3.3 板厚对冲击应力的影响39-40
• 3.4 结果讨论40-41
• 3.5 本章小结41-43
• 4 冰雹对风电叶片结构的冲击特性仿真分析43-59
• 4.1 叶片模型的建立43-45
• 4.1.1 模型参数的确定43-44
• 4.1.2 叶片模型及研究段有限元模型44-45
• 4.2 冲击过程仿真及分析45-57
• 4.2.1 冰雹作用在叶片后缘与后抗剪腹板之间47-52
• 4.2.2 冰雹作用在主梁上52-55
• 4.2.3 冰雹作用在前抗剪腹板与前缘之间55-57
• 4.3 结果讨论57
• 4.4 本章小结57-59
• 5 含预裂纹的叶片冲击特性仿真分析59-83
• 5.1 含预裂纹叶片有限元模型的建立59-61
• 5.2 冲击应力与裂纹之间的相互影响61-81
• 5.2.1 预裂纹对冲击应力特性的影响61-79
• 5.2.2 裂纹在应力作用下的扩展79-81
• 5.3 结果讨论81-82
• 5.4 本章小结82-83
• 6 总结与展望83-87
• 6.1 总结83-84
• 6.2 展望84-87
• 附录87-97
• 参考文献97-100
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果100-101
• 致谢101-102

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