风力发电机复合材料风轮叶片局部屈曲与静强度的有限元分析

论文摘要

随着风力机单机容量的增大,对风力机叶片强度和稳定性提出了更高的要求。本文研究了34米风力发电机组复合材料叶片的静强度和屈曲稳定性。由于风机叶片几何外形和边界条件的复杂性,本文采用有限元分析的方法解决这一问题。基于PATRAN平台,论文讨论了在风力发电机复合材料叶片建模过程中所遇到的一些问题,考察了单元类型、材料属性定义以及加载方式对风力发电机复合材料叶片有限元计算的影响。对具有不同任务的有限元建模提出了建议。利用有限元方法,文中对34米风力发电机复合材料叶片进行了系统的静力分析和屈曲稳定性分析。得到了叶片整体结构的应力和应变分布规律。利用蔡-吴（E.M.Wu）失效准则和Hill-蔡（ S.W.Tsai）强度理论校核了几种主要承力结构材料的强度。并且预测了叶片结构发生屈曲的几何模态、屈曲位置、应力分布规律和屈曲临界载荷。最后,针对风力机叶片的铺层结构设计提出了三个改进方案。从结构刚度和屈曲稳定性两个方面对三个新方案进行了计算分析,论证了这些方案的可行性,指出了增加结构刚度和屈曲稳定性的一条新途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 风力发电机风轮叶片的发展概述
• 1.3 本文研究的课题背景、主要问题、分析方法和课题意义
• 1.3.1 课题研究背景
• 1.3.2 主要问题和采用的分析方法
• 1.3.3 课题意义
• 1.4 复合材料壳体理论和壳体稳定性理论发展概述
• 1.5 本文研究主要内容和章节安排
• 第二章 复合材料薄壳稳定性理论基础和有限元分析理论基础
• 2.1 复合材料薄壳稳定性理论
• 2.1.1 失稳的概念
• 2.1.2 复合材料扁壳稳定性控制微分方程
• 2.2 复合材料薄壳有限元分析理论基础
• 2.2.1 有限单元法基础
• 2.2.2 一般壳体的有限单元法
• 2.2.3 三节点三角形平板壳体单元
• 2.2.4 屈曲分析理论基础
• 2.3 本章小结
• 第三章 复合材料风力机叶片有限元模型建模研究
• 3.1 叶片有限元模型建模方案
• 3.1.1 有限元模型类型选择
• 3.1.2 三维几何模型
• 3.1.3 单元类型和数目研究
• 3.1.4 材料属性定义研究
• 3.1.5 载荷加载方式研究
• 3.2 各种方案分析比较研究
• 3.2.1 材料属性定义方式对结果的影响
• 3.2.2 载荷加载方式对结果的影响
• 3.2.3 不同方案下屈曲分析结果的比较
• 3.3 本章小结
• 第四章 复合材料风力机叶片有限元分析
• 4.1 静力分析
• 4.1.1 应力分布规律分析
• 4.1.2 应变分布规律分析
• 4.1.3 材料强度校核
• 4.2 线性屈曲分析
• 4.2.1 线性屈曲模态分析
• 4.2.2 线性屈曲分布规律分析
• 4.2.3 线性屈曲应力分析
• 4.2.4 线性屈曲临界载荷分析
• 4.3 非线性屈曲分析
• 4.3.1 非线性屈曲模态分析
• 4.3.2 非线性屈曲分布规律分析
• 4.3.3 非线性屈曲应力分析
• 4.3.4 非线性屈曲临界载荷分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 风力机叶片结构改进方案研究
• 5.1 风力机叶片结构改进方案的确定
• 5.1.1 风力机叶片结构分析
• 5.1.2 风力机叶片结构改进方案提出
• 5.2 方案一的可行性研究
• 5.3 方案二的可行性研究
• 5.4 方案三的可行性研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果