大型風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析及鋪層設(shè)計(jì)研究.pdf

1、風(fēng)力發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例日益顯著，研制5MW及5MW以上的超大型風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的必然趨勢(shì)。超大型風(fēng)力機(jī)的葉片比正在運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)葉片大很多，玻璃纖維復(fù)合材料已經(jīng)不能滿足葉片強(qiáng)度與質(zhì)量的要求。超大型風(fēng)力機(jī)葉片的材料大都采用玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料。超大型風(fēng)力機(jī)除了材料的高要求以外，還要求在滿足葉片的強(qiáng)度要求下，盡可能的降低葉片的質(zhì)量，減小成本。
　　風(fēng)力機(jī)葉片是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的柔性體，受到風(fēng)壓載荷作用會(huì)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(dòng)性能，通常將風(fēng)力機(jī)的葉片做成預(yù)彎式葉片。預(yù)彎的風(fēng)力機(jī)葉片在風(fēng)壓載荷的作用下，發(fā)生的變形剛好和預(yù)彎的葉片變形量相抵消，使得葉片在氣動(dòng)載荷作用下還能夠具有良好的氣動(dòng)性能。
　　本文進(jìn)行 NH02_1.5MW風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)分析及其鋪層設(shè)計(jì)研究，通過(guò)流固耦合分析得到風(fēng)力機(jī)葉片在額定工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),完成復(fù)合材料葉片的鋪層設(shè)計(jì);利用FLUENT軟件計(jì)算得到葉片在額定工況下迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力載荷，并將得到的壓力載荷

3、加載到設(shè)計(jì)好的復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片上，得到額定工況下葉片的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；根據(jù)得到結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，對(duì)葉片鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析；最后對(duì)復(fù)合材料葉片進(jìn)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?jī)?nèi)容如下：
　　1、完成了NH02_1.5MW風(fēng)力機(jī)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(jié)構(gòu)響應(yīng)，葉片材料選擇結(jié)構(gòu)鋼材料。結(jié)果表明：在額定工況下，風(fēng)力機(jī)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(yīng)力較大。
　　2、根據(jù)流固耦合分析的結(jié)果，結(jié)合復(fù)合材料鋪層的鋪層要求，建立復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)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(jì)算得到風(fēng)力機(jī)葉片表面的壓力載荷。求解結(jié)果顯示：沿著葉片翼展方向，葉片迎風(fēng)面與背風(fēng)面的壓力差

5、值逐漸增大，在葉片的葉尖部分達(dá)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(fù)合材料葉片上，分析兩種復(fù)合材料葉片在額定工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。結(jié)果表明：?jiǎn)?雙腹板葉片和雙腹板葉片的葉片變形量都小于葉片預(yù)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(yīng)力值40.03326Mp比雙腹板最大應(yīng)力值36.419MP葉片大；纖維復(fù)合材料具有能夠很好傳遞

6、載荷的特性，復(fù)合材料葉片的靠近葉尖位置處的應(yīng)力傳遞到葉根處，使得葉根處的最大應(yīng)力值達(dá)到了40.03326Mp，與結(jié)構(gòu)鋼葉片葉根處的應(yīng)力值23Mp相比，增加了74％，但是經(jīng)過(guò)蔡—吳強(qiáng)度理論校核，滿足葉片強(qiáng)度要求。
　　4、用ANSYS軟件對(duì)復(fù)合材料葉片進(jìn)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(jié)果表明：?jiǎn)?雙腹板的質(zhì)量比雙腹板的質(zhì)量減小了6%，由于葉尖部分處于不同的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，所以減小質(zhì)量對(duì)于超大型風(fēng)力機(jī)葉片有著重要的意義