兆瓦级风电机组叶片的力学特性研究

【摘要】：叶片作为风电机组机械系统中受力最为复杂、结构最为多样化的重要构件它的固有振动特性、材料强度特性、耦合振动特性,及其它力学特性问题对风电机组稳定运行与整机性能有直接的影响。本文在分析了风电机组叶片的国内外研究现状的基础上,引入了叶片空气动力学基础理论与载荷计算方法,以兆瓦级风电机组叶片为研究对象,综合利用有限元分析法、柔性多体系统动力学理论、以及蔡—吴强度失效准则,以及QZ算法对叶片的固有振动特性,复合材料内部的强度特性,以及与主轴轴系的组成的刚柔耦合多体系统动力学模型的振动特性,进行了研究。开展的具体研究工作内容和获得的主要结果如下： 1)叶片固有振动特性的有限元建模方法研究。针对叶片固有振动特性问题,提出了一种基于有限元梁单元理论的叶片模态振动方程的建立方法,并采用双步的QZ算法对其求解,得到叶片的固有频率。将此方法用于1.2MW风机叶片中,能够快速的求解出叶片固有频率,将其结果与Blade软件结果进行对比分析,结果相差较小,证实了此方法的有效性。 2)旋转叶片的材料强度特性计算方法研究。提出了一种基于有限元方法与Tsai-Wu强度失效准则相结合的叶片材料强度特性研究方法。将此方法用于风电机组的旋转叶片中,建立叶片在旋转过程中多个位置处的有限元模型,分析叶片处于旋转平面每个位置处的米塞斯等效应力云图。针对米塞斯等效应力最大位置处的叶片危险截面进行研究,采用蔡吴强度准则计算危险截面位置,每层复合材料强度的强度指标,找到强度指标最大位置处的铺层位置。针对此层复合材料进行研究,在只考虑叶片的重力载荷与离心力载荷单一载荷作用时,材料的拉伸破坏极限减小；当气动载荷分量与重力共同作用时,叶片材料拉伸的破坏极限降低的最为严重。产生此种极限载荷降低的主要原因与复合材料的铺层方向有关。 3)叶片与主轴耦合系统的振动问题研究。提出一种基于刚柔耦合多体系统动力学理论的叶片与主轴系统组成的仿真模型,针对叶片与主轴轴系的振动特性问题进行分析。叶片受到气动力与惯性力的作用在旋转平面内,叶根部出现较为明显交变弯矩,叶尖出现周期性摆振位移,将其与Blade软件计算结果对比分析,结果相差较小；主轴转速与叶片上的风剪切作用引起的气动力不平衡,对主轴轴系的稳定性具有较大影响,轴承间隙对主轴的振动特性也具有较强的关联性。 研究表明,通过实现对风电机组叶片的力学特性分析,能够为叶片设计与整机系统参数的确定提供充分的理论依据。 【关键词】：叶片 有限元分析 多体系统动力学 力学特性分析
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 插图索引10-12
• 附表索引12-13
• 第1章 绪论13-20
• 1.1 选题背景13
• 1.2 风电机组叶片的国内外研究现状13-15
• 1.3 风电机组叶片设计方法概述15-16
• 1.4 有限元方法的工程应用概述16-17
• 1.5 多体系统动力学理论的应用发展前景17-18
• 1.6 本课题研究的意义18
• 1.7 本课题研究的内容及安排18-20
• 第2章 叶片的空气动力学理论基础与载荷计算方法简介20-31
• 2.1 引言20
• 2.2 风电机组运行机理20-22
• 2.3 叶片的空气动力学理论基础22-26
• 2.3.1 翼型气动参数22-23
• 2.3.2 雷诺数对气动参数影响23
• 2.3.3 动量理论23-24
• 2.3.4 叶素理论24-25
• 2.3.5 叶素-动量理论25
• 2.3.6 普朗特修正因子25-26
• 2.3.7 Glauert、Wilson修正因子26
• 2.4 叶片载荷的计算方法简介26-29
• 2.4.1 气动载荷27-29
• 2.4.2 离心力载荷29
• 2.4.3 重力载荷29
• 2.5 本章小结29-31
• 第3章 基于QZ算法的叶片固有振动特性有限元建模方法研究31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 有限元法的固有振动特性方程的建立31-39
• 3.2.1 系统模态分析方程31-32
• 3.2.2 基于梁单元的方程参数确定32-39
• 3.3 方程求解的双步QZ算法简介39-40
• 3.4 算例分析40-41
• 3.5 计算结果讨论41-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第4章 旋转叶片复合材料强度特性的分析方法研究43-53
• 4.1 引言43
• 4.2 叶片强度分析的基础理论简介43-45
• 4.2.1 复合材料铺层的一般原理43-44
• 4.2.2 Tsai—Wu强度失效准则44-45
• 4.3 基于有限元原理的叶片强度分析模型的建立45-48
• 4.4 计算结果分析与讨论48-52
• 4.4.1 转角对危险截面分布影响48-49
• 4.4.2 复合材料铺层的力学特性49-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第5章 叶片与主轴系统的耦合振动特性计算方法研究53-65
• 5.1 引言53
• 5.2 耦合系统建模理论与方法简介53-58
• 5.2.1 柔性多体系统动力学的一般原理53-56
• 5.2.2 模态分析法56
• 5.2.3 圆锥滚子轴承径向等效模型理论56-58
• 5.3 耦合系统模型分析与简化58-59
• 5.4 耦合系统仿真模型的建立59-61
• 5.4.1 柔性叶片的建模结果59
• 5.4.2 轴承的等效模型59-61
• 5.4.3 耦合系统的仿真模型61
• 5.5 计算结果与分析61-64
• 5.5.1 主轴轴系的动力学特性分析61-63
• 5.5.2 叶片面内运动的动态特性分析63-64
• 5.6 本章小结64-65
• 总结与展望65-67
• 总结65-66
• 展望66-67
• 参考文献67-71
• 致谢71-72
• 附录A 攻读学位期间发表的科研成果目录72-73
• 附录B 参加科研项目情况73

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