答辯 ppt-大型風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析

1、大型風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析,1,第一部分 簡(jiǎn)要概述,第二部分 研究工作,第三部分 結(jié)論與展望,第四部分 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文及 參與項(xiàng)目情況,2,第一部分：簡(jiǎn)要概述,,緒論,3,4,截止2014年12月，全球風(fēng)電總裝容量已經(jīng)達(dá)到了370,000MW，其中2014年上半年就增加了17,839MW。與此同時(shí)，全球風(fēng)電總裝容量增長(zhǎng)了5.6%，相比2013年，年增長(zhǎng)量已達(dá)到了16.2%

2、。,,圖1-1 2011-2014全球風(fēng)電總裝容量 /MW,5,至2014年底，全球風(fēng)電總裝容量排在前五名的國(guó)家是：中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、西班牙和印度，上述五國(guó)占據(jù)了世界總量的72%。,,表1-1 2014年全球風(fēng)電總裝容量前十名國(guó)家（源自WWEA）,,6,對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)而言，其制造成本和其安全性一直是限制其發(fā)展的主要因素。,本文從結(jié)構(gòu)方面入手，從葉片的振動(dòng)變形，材料強(qiáng)度校核，屈曲情況，以及疲勞壽命等方面對(duì)葉片進(jìn)行探索，以組建一套

3、完整結(jié)構(gòu)分析方案為踏板，為以后的葉片優(yōu)化改善工作提供有力的依據(jù)支撐。,7,,研究現(xiàn)狀分析,,葉片的材料,葉片的結(jié)構(gòu)形式,葉片的載荷,8,比重小強(qiáng)度高工程模量大結(jié)構(gòu)多樣,纖維、夾層、細(xì)粒、混雜,9,10,經(jīng)典層合板理論,單層平面應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系為：,,,層合板是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的基本單元，而鋪層又是層合板的基本單元。,而對(duì)一般正交各向異性層合板而言，其坐標(biāo)系與彈性主方向不一定重合，即各單層板纖維鋪設(shè)方向分配不一致。,圖2.2

4、 層合板結(jié)構(gòu)形式,（2-5）,11,翼型原始坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,圖2.3 翼型坐標(biāo)變換示意圖,12,圖3.7 葉片模型關(guān)鍵曲線,,,圖3.8 葉片殼體圖,圖3.6 葉素截面翼型關(guān)鍵點(diǎn),模型的建立是采用從下到上的方式進(jìn)行的，是通過(guò)建立每個(gè)截面的點(diǎn)，再建立關(guān)鍵曲線，最終建立葉片外形殼體。,葉片殼體建模基本流程,13,,,建立模型形狀不規(guī)則鋪層復(fù)雜、過(guò)渡層很多僅使用殼單元shell99采用映射網(wǎng)格劃分,,,,圖3.10 葉片有限元模型

5、,14,,,,,,,,,,,,,,,,表3.2 葉片總質(zhì)量和質(zhì)心位置有限元值與試驗(yàn)值,有限元模型建立后，可通過(guò)獲取所建葉片模型的總質(zhì)量與質(zhì)心位置與試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的是否合理。如表3.2所示，葉片總質(zhì)量和質(zhì)心位置誤差都在10%以內(nèi)，一致性較好，從而說(shuō)明所建有限元模型是合理的。,有限元模型的驗(yàn)證,15,,,,,,,,,,首先進(jìn)行零轉(zhuǎn)速條件下的模態(tài)分析，再針對(duì)不同轉(zhuǎn)速10rpm、12rpm、15rpm、17rpm、20rpm、2

6、3rpm、25rpm、28rpm、30rpm，分別進(jìn)行考慮動(dòng)力剛化、考慮旋轉(zhuǎn)軟化和同時(shí)考慮動(dòng)力剛化和旋轉(zhuǎn)軟化的模態(tài)分析。,（3-6）,（3-8）,（3-10）,（3-12）,葉片的振動(dòng)特性分析可歸結(jié)為下列廣義特征值問(wèn)題,零轉(zhuǎn)速,動(dòng)力剛化,旋轉(zhuǎn)軟化,動(dòng)力剛化和旋轉(zhuǎn)軟化,16,,,,,,,,,,,,,,,表3.3 葉片振動(dòng)模態(tài)（n=0）,（a）考慮應(yīng)力剛化,（b）考慮旋轉(zhuǎn)軟化,（c）同時(shí)考慮應(yīng)力剛化和旋轉(zhuǎn)軟化,圖3.11 不同轉(zhuǎn)速對(duì)頻率

7、增率的影響,17,,,,,,,,,,,（a）1階,（b）2階,圖3.12 額定轉(zhuǎn)速下同時(shí)考慮應(yīng)力剛化和旋轉(zhuǎn)軟化的葉片的1階～3階振型,（c）3階,· 動(dòng)力剛化提高葉片的頻率；速度越大，動(dòng)力剛化對(duì)頻率的效果越顯著；1階頻率反應(yīng)最為顯著。· 旋轉(zhuǎn)軟化降低葉片的頻率；轉(zhuǎn)速越大，旋轉(zhuǎn)軟化對(duì)頻率的效果同樣越顯著；同動(dòng)力剛化一樣1階頻率反應(yīng)最為顯著。· 應(yīng)力剛化相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軟化對(duì)葉片頻率大小的影響要

8、顯著。,可以得出：,18,,,,圖3.13 葉片坎貝爾圖,額定轉(zhuǎn)速17rpm下的回轉(zhuǎn)工作頻率0.85 Hz三葉片風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)激振力是在3倍轉(zhuǎn)速頻率（表示為3P）處的諧波分量最大從圖中可得： 0～17rpm內(nèi)，3P倍頻線與一階揮舞無(wú)交匯，17rpm時(shí)一階揮舞頻率為0.98125，高于3倍轉(zhuǎn)速頻率的15%。,葉片在0～17rpm無(wú)共振，且不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的附加動(dòng)應(yīng)力,葉片坎貝爾圖,,19,幾種主要加載方式,利用mpc184單

9、元建立剛性區(qū)，在扭轉(zhuǎn)中心創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與截面其他所有節(jié)點(diǎn)組成剛性區(qū)，再在上面施加彎矩，但這種方法不適合屈曲分析,將彎矩等效為力載荷，采用集中力通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行加載，但所加載力的受載點(diǎn)和大小不易確定,將彎矩等效為力載荷，采用線載荷或面載荷的形式施加到線面上，這種方法能夠較好的模擬葉片的真實(shí)受載,本文采用前面所提及的第三種加載方式進(jìn)行加載，將x和y方向的等效分布力加載到受風(fēng)面的兩條梁邊緣線上，將z方向的等效分布力加載到梁的四條邊緣線上，該方法

10、處理較為簡(jiǎn)單，省去了葉片弦向方向的處理。,20,（4-1）,（4-2）,(4-3),起始所給定載荷是翼型坐標(biāo)系下的載荷，通過(guò)式4-1、4-2將翼型坐標(biāo)系下的載荷值等效變換到葉根坐標(biāo)系上。,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將將葉片所受載荷假定為三角形線性分布載荷，根據(jù)式4-3對(duì)載荷進(jìn)行擬合,21,圖4.1 給定彎矩Mx與所使用彎矩Mx對(duì)比圖,圖4.2 給定彎矩My與所使用彎矩My對(duì)比圖,圖4.3 給定剪力Fz與所使用剪力Fz對(duì)比圖,通過(guò)圖4.1-4.3

11、，將擬合等效值與給定值進(jìn)行對(duì)比，從圖中可以看出3組數(shù)值均趨于一致，可判定載荷處理合理。,22,圖4.4 極限載荷下應(yīng)力應(yīng)變等效云圖,（b）,（a）,靜力分析既是結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，也是結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵。,本文著重考慮極限載荷下的靜力分析,23,圖4.5 上表面線1展長(zhǎng)方向應(yīng)力應(yīng)變曲線,圖4.6 下表面線2展長(zhǎng)方向應(yīng)力應(yīng)變曲線,Von Misses等效應(yīng)力曲線與等效應(yīng)變曲線走勢(shì)基本一致；Von Misses等效應(yīng)力和應(yīng)變沿弦長(zhǎng)方向中間大

12、，兩端??；葉片沿展長(zhǎng)方向在葉根部位應(yīng)力應(yīng)變較小，沿展長(zhǎng)到中間部位逐漸變大，后面基本成一次函數(shù)趨勢(shì)遞減。,24,幾種常用的強(qiáng)度準(zhǔn)則,最大應(yīng)力準(zhǔn)則,最大應(yīng)變準(zhǔn)則,蔡-吳張量準(zhǔn)則,Hill-蔡理論,只要任何應(yīng)力投射在材料主方向上的應(yīng)力分量大于該主方向的許用應(yīng)力值那么材料失效,只需任何應(yīng)變投射在材料主方向上的應(yīng)力分量大于該主方向的許用應(yīng)變值那么材料失效,（4-10）,（4-17）,25,圖4.7 中間層縱向應(yīng)力云圖,圖4.8 中間層橫向應(yīng)力

13、云圖,圖4.9 中間層剪切應(yīng)力云圖,圖4.10 最里層縱向應(yīng)力云圖,圖4.11 最里層橫向應(yīng)力云圖,圖4.12 最里層剪切應(yīng)力云圖,26,圖4.13 1階線性屈曲模態(tài),圖4.14 2階線性屈曲模態(tài),圖4.15 3階線性屈曲模態(tài),圖4.16 4階線性屈曲模態(tài),27,葉片中只有部分區(qū)域出現(xiàn)屈曲，褶皺為屈曲的主要樣貌。屈曲褶皺的數(shù)量是隨著所加載荷大小的變化而變化，所加載荷越大，那么褶皺的數(shù)量越多，而發(fā)生區(qū)塊越大，且相互間出現(xiàn)

14、交替；屈曲大致出現(xiàn)在離葉根7到14米之間，主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)弦長(zhǎng)和表面的壓力都相對(duì)較大，而葉片后緣與后梁之間的空隙空間大且對(duì)支撐力的結(jié)構(gòu)少，所以易發(fā)生失穩(wěn)。,可以得到：,28,臨界屈曲載荷與計(jì)算載荷存在以下關(guān)系：,（4-24）,那么就可以通過(guò)運(yùn)用一階屈曲載荷因子,=1.576>1,那么可以判定葉片結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定性要求。,來(lái)判定葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。,一階屈曲因子所對(duì)應(yīng)的載荷即是通過(guò)特征值法進(jìn)行屈曲分析中所獲得的臨界屈曲載荷，所對(duì)應(yīng)的計(jì)算載

15、荷即為葉片極端載荷。,文中,29,,,,,圖5.1 反斜率為10時(shí)的S-N曲線,疲勞損傷理論,,線性：Miner理論,非線性：Carten-Dlan理論,對(duì)于高周疲勞平均疲勞壽命預(yù)測(cè)，線性Miner理論的效果已經(jīng)非常好。,壽命計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式,,半對(duì)數(shù)函數(shù)公式,冪函數(shù)公式,指數(shù)函數(shù)公式,其它公式,30,,,,,,圖5.8 等效應(yīng)力云圖,圖5.9 疲勞計(jì)算結(jié)果,風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)壽命要求大于 20 年，可知，本文 2MW 級(jí)風(fēng)力機(jī)葉片是符

16、合壽命要求條件的。,（5-10）,（5-11）,,等效疲勞載荷處理方法與極限載荷相同,31,,,,層合板力學(xué)基礎(chǔ),葉片有限元建模,葉片疲勞壽命估算,,1. 大型風(fēng)力機(jī)葉片建模方法,展望,2. 葉片載荷加載方式,葉片振動(dòng)特性研究,葉片強(qiáng)度分析,葉片穩(wěn)定性分析,,3. 葉片疲勞壽命估算方法,32,發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況：[1]Zhou Liqun,Zheng Mingyuan, Peng Jie, Li Yuping, Xing Shua

17、iheng.Study on Large Wind Turbine Composite Blade[J].Natural Science Journal of Xiangtan University,2015,37(1):76-80.[2] 周里群,鄭明遠(yuǎn),彭杰等. 大型風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究[已投稿].[3] 李玉平,向軍,鄭明遠(yuǎn),周里群. 路面銑刨機(jī)銑削載荷的動(dòng)力學(xué)仿真[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào).2014