大型复合材料风力机叶片结构设计及实验研究

发布时间：2020-11-20 11:52

　　随着风力机功率的不断增加,其叶片尺寸也愈来愈大,若设计不当则会发生严重的安全事故,如何保证风力机的安全稳定运行成为了设计人员需要考虑的最重要的因素之一。从风力机的运行环境来看,叶片长期处于风沙大、受压强的高空中,除需要一种耐侵蚀、强度高、重量轻的材料作为叶片的主要制作材料外,合理的结构设计对其也是不可或缺的。对于复合材料叶片的设计,理论支撑、模拟计算、实验验证缺一不可,方可保证叶片的安全性和可靠性。叶片在运行中受到拉伸、压缩、弯曲、扭转等多种形式的载荷,分析其对叶片本身的影响均具有重要意义,本文主要对叶片进行弯曲方面的研究。以8MW风力机叶片为对象,以叶素动量理论为基础,使用NH02系列翼型进行初步气动外形设计,并将设计所得参数转化为实际空间坐标,利用Auto CAD以及UG软件进行叶片三维实体建模。根据层合板理论对玻璃纤维增强复合材料进行弯曲试验,经分析得知玻璃纤维增强树脂基层合板的抗弯强度主要由0°铺层提供,适当加入一定比例的±45°铺层可略微增大其弯曲模量。在断口形式方面,含有±45°铺层的层合板在材料断裂时具有显著优势,单一方向纤维的层合板易发生完全断裂,加入±45°铺层后可防止此状况的发生。以叶片实体模型为基础进行吸力面、压力面和腹板模具的创建,并以3D打印的方式将其制作。对梁帽、腹板及蒙皮进行铺层结构设计,确定其构型和尺寸,在所制作的模具上铺设并最终得到叶片模型。通过对叶片模型进行静载试验获得叶尖位移及梁帽部位应变数据,可知碳纤维有着明显优于玻璃纤维的性能,且将梁帽或腹板改为混合铺层,在抗挥舞方面都要比单一铺层更为优良。其中,0°铺层角对于提高叶片的抗挥舞性要优于±45°铺层角。碳纤维梁帽中的±45°铺层替换为0°铺层所表现出的性能要优于±45°玻璃纤维腹板铺层中掺入0°铺层。结合叶片结构有限元分析,对比实验和模拟计算之间的异同,验证了实验结论的可靠性,并分析得到了两者产生差别的人为原因和系统原因,为以后的研究提供了参考。本文创新之处为在叶片气动设计和结构设计的基础上,为使研究更方便提出进行模型试验的方法,一定程度上能够反映叶片的结构性能,对实际叶片的安全运行具有工程参考价值。在有限元分析中通过分载荷步加载的方式来实现模拟与实验的结合,使得模拟计算尽可能地贴近实验中的加载过程,为以后实验与计算的对比分析提供了一种新的可能性。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK83
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章绪论
    1.1 引言
    1.2 风力机叶片研究现状
        1.2.1 国内研究现状
        1.2.2 国外研究现状
    1.3 课题的来源和研究内容
    1.4 创新点
    1.5 本章结论
第2章叶片气动外形设计研究
    2.1 叶片气动设计理论
        2.1.1 经典叶素理论
        2.1.2 动量叶素理论
        2.1.3 普朗特损失因子
        2.1.4 葛劳渥特损失因子
    2.2 大型风力机叶片气动外形设计
        2.2.1 翼型选择
        2.2.2 XFOIL及Profili的介绍和应用
        2.2.3 叶片主要设计参数
        2.2.4 叶片尺寸缩比
        2.2.5 UG中叶片的建模
    2.3 本章结论
第3章层合板理论及实验研究
    3.1 复合材料
        3.1.1 复合材料的分类和特性
        3.1.2 碳纤维在叶片中的应用
    3.2 经典层合板理论
    3.3 层合板实验研究
        3.3.1 板材试件制作
        3.3.2 试验测试方法
        3.3.3 试验结果分析
    3.4 本章结论
第4章叶片结构设计及静载试验
    4.1 工字梁理论
    4.2 结构设计
        4.2.1 梁帽设计
        4.2.2 腹板设计
        4.2.3 蒙皮设计
    4.3 模型叶片制作
        4.3.1 模具制作
        4.3.2 叶片铺设
    4.4 静载试验
        4.4.1 试验仪器
        4.4.2 应变片的粘贴和防护
        4.4.3 电阻应变片及其工作原理
        4.4.4 静态电阻应变仪
        4.4.5 试验测量过程
        4.4.6 试验结果分析
    4.5 本章结论
第5章叶片有限元分析
    5.1 有限元分析软件ANSYS
        5.1.1 ANSYS的组成及功能
        5.1.2 ANSYS在风力机中的应用
    5.2 叶片在流场中的载荷计算
        5.2.1 模型创建
        5.2.2 流场网格划分
        5.2.3 设置边界条件
        5.2.4 计算及数据导出
    5.3 基于MechanicalAPDL的铺层结构分析
        5.3.1 单元类型
        5.3.2 材料参数
        5.3.3 叶片网格划分
        5.3.4 加载计算
        5.3.5 结果分析
    5.4 模拟、实验与理论结果对比
    5.5 本章结论
第6章结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
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