复合材料风电叶片结构设计及有限元分析

【摘要】：随着风机单机容量的大型化,叶片作为机组的核心部件,其长度和重量的增加使得研究其结构设计和结构动力学特性显得十分重要。这些问题不仅制约着风电机组的大型化发展,并且对于保证风力发电机组的安全、稳定运行有着至关重要的作用。 依托国家高技术研究发展计划(863计划)(编号：2011AA05A104)研究分析了复合材料风电机组叶片的结构设计方法、原则和过程步骤。针对某1.5MW叶片设计模型,研究了叶片的有限元建模方法。对叶片进行了空间坐标求解、三维实体模型的建立、有限元网格划分和边界条件施加,以及铺层的设计。 依据IEC61400-1研究计算了叶片在极端风况下的载荷,针对叶片建模过程中载荷的施加提出两种施加方案,分别对载荷施加的两种方案进行应力和位移分析,得出了每种方案下应力和位移的分布趋势以及应力和位移在叶片不同位置受到的不同影响,并比较了区别和优势。分析得出沿叶片受力面加载更加符合实际受力情况,选择此方案作为有限元静力分析和结构动力学分析的模型基础。 对该叶片模型进行了有限元静力学分析、强度校核、模态分析和线性屈曲分析。通过静力学分析分别从沿着叶片的展长方向和沿着叶片的弦向方向两个方面考察了叶片的应力、应变和位移沿着叶片的分布规律和趋势；根据复合材料强度具有方向性的特点,分层按照对不同区域分别利用Tsai-Hill、Hoffman和Tsai-Wu失效准则对该叶片的危险截面进行有限元强度校核,符合强度设计要求。 通过对模态进行数值模拟,分析得到叶片的振动特性；研究叶片的线性屈曲行为,预测叶片结构发生屈曲时的几何模态、屈曲发生的位置、临界屈曲载荷以及规律。通过以上分析结论提出相关改进的地方,为今后的设计研究提供参考。 【关键词】：复合材料 风电叶片 有限元 静力学分析
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM315;TB33
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题背景及研究目的和意义9-12
• 1.1.1 世界风电发展现状及趋势9-11
• 1.1.2 中国风电发展11-12
• 1.2 复合材料风电叶片结构设计技术研究现状12
• 1.3 复合材料风电叶片有限元分析研究现状12-14
• 1.3.1 国外研究现状13-14
• 1.3.2 国内研究现状14
• 1.4 论文研究内容14-15
• 第2章 复合材料风电叶片结构设计理论15-28
• 2.1 引言15-16
• 2.2 复合材料风电叶片结构设计介绍16-23
• 2.2.1 叶片的结构形式17-18
• 2.2.2 叶片材料的选择18
• 2.2.3 复合材料风电叶片的结构设计过程及原则18-21
• 2.2.4 复合材料风电叶片的铺层设计方法21-23
• 2.3 叶片的生产工艺23-24
• 2.4 模型的建立24-27
• 2.4.1 有限元法24
• 2.4.2 叶片的空间坐标求解24-25
• 2.4.3 叶片的三维模型25
• 2.4.4 叶片的有限元网格模型25-26
• 2.4.5 叶片的边界条件的施加和铺层26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第3章 复合材料风电叶片有限元模型加载研究28-44
• 3.1 引言28-29
• 3.2 复合材料风电叶片结构静力学分析基本思想29
• 3.3 叶片的载荷分析与加载方案29-33
• 3.3.1 叶片的载荷类型30-33
• 3.3.2 叶片的载荷计算33
• 3.4 两种不同的加载方案33-35
• 3.4.1 叶片的载荷加载方式研究33-34
• 3.4.2. 沿刚性元加载(方案一)34
• 3.4.3 沿叶片受力面加载(方案二)34-35
• 3.5 载荷施加方案的分析比较35-43
• 3.5.1 不同加载方案下的应力、应变及位移云图35-36
• 3.5.2 不同的加载方式对分析结果的影响比较36-43
• 3.5.3 不同加载方案下的屈曲分析结果的比较43
• 3.6 本章小结43-44
• 第4章 复合材料风电叶片静力和结构动力学分析44-63
• 4.1 引言44
• 4.2 静力分析44-53
• 4.2.1 应力分布规律分析45-48
• 4.2.2 应变分布规律分析48-49
• 4.2.3 材料的强度校核49-53
• 4.3 叶片的模态分析53-57
• 4.3.1 模态分析的基本方法53-54
• 4.3.2 叶片的固有频率和模态分析54-57
• 4.4 线性屈曲分析57-62
• 4.4.1 线性屈曲的模态分析59-60
• 4.4.2 局部线性屈曲分布规律分析60-61
• 4.4.3 线性屈曲临界载荷分析61-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第5章 结论与展望63-65
• 5.1 结论63-64
• 5.2 展望64-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文69-70
• 致谢70

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