風(fēng)力機(jī)葉片鋪層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度特性研究及設(shè)計(jì)優(yōu)化.pdf

1、葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的捕風(fēng)部件，其重要性是不言而喻的。研究如何保證葉片的結(jié)構(gòu)可靠性，提高氣動(dòng)效率，同時(shí)又盡量減少葉片的成本，顯然具有十分現(xiàn)實(shí)的工程價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。
　　 目前，國(guó)內(nèi)外研究主要是將鋪層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作為評(píng)定葉片結(jié)構(gòu)可靠性的一個(gè)指標(biāo)，而沒(méi)有深入研究風(fēng)載荷作用下葉片鋪層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)分布特性及其對(duì)葉片不同結(jié)構(gòu)區(qū)域強(qiáng)度的影響。研究表明，基于歐拉伯努利梁理論初步鋪層設(shè)計(jì)方法獲得的鋪層結(jié)構(gòu)在葉根嚴(yán)重不滿足實(shí)際強(qiáng)度的要求。正是基于此，本

2、文研究了葉片復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度特性，不同鋪層纖維角度對(duì)鋪層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，最后基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，實(shí)現(xiàn)了鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而為鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究提供基礎(chǔ)，其主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　 (1)基于復(fù)合材料有限法和Tsai-Wu強(qiáng)度失效準(zhǔn)則，開(kāi)展了葉片有限元幾何建模方法的研究，研究了鋪層結(jié)構(gòu)定義和復(fù)合材料Tsai-Wu強(qiáng)度失效準(zhǔn)則在有限元方法中的實(shí)現(xiàn)。
　　 (2)設(shè)計(jì)了包含多種纖維角度的鋪層方案，研究了各種鋪層

3、方案下在多個(gè)截面節(jié)點(diǎn)處沿鋪層厚度分布的Tsai-Wu強(qiáng)度指標(biāo)分布規(guī)律，進(jìn)一步研究了鋪層纖維角度對(duì)葉片三個(gè)不同結(jié)構(gòu)特征區(qū)域強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，鋪層纖維角度對(duì)葉片各個(gè)區(qū)域的強(qiáng)度的影響具有明顯的差異性，鋪層纖維角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)考慮葉片不同結(jié)構(gòu)特征區(qū)域。
　　 (3)進(jìn)行了多種風(fēng)速下葉片結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力響應(yīng)分析，重點(diǎn)研究了葉根截面節(jié)點(diǎn)處沿鋪層厚度分布的應(yīng)力和位移分布規(guī)律，結(jié)合復(fù)合材料Tsai-Wu失效準(zhǔn)則，研究了葉根鋪層強(qiáng)度特性，詳細(xì)剖

4、析了基于歐拉伯努利梁理論進(jìn)行鋪層初步設(shè)計(jì)在葉根不適用的原因。分析表明，葉根不滿足平面假設(shè)，面內(nèi)其它應(yīng)力分量(面內(nèi)橫向正應(yīng)力和切應(yīng)力)是影響葉根強(qiáng)度的主要因素，鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法必須考慮面內(nèi)其它應(yīng)力分量。
　　 (4)針對(duì)基于歐拉伯努利梁理論初步鋪層設(shè)計(jì)方法獲得的葉根強(qiáng)度嚴(yán)重不滿足的葉片，基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)了多種鋪層方案，以Tsai-Wu強(qiáng)度指標(biāo)值為評(píng)定指標(biāo)，對(duì)該葉片進(jìn)行了多次有限元模擬試驗(yàn)，以鋪層數(shù)量最少為設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了葉片鋪