基于ANSYS风力机叶片的载荷研究

论文摘要

风力机在风能利用中占有最主要的地位,叶片则是风力机中核心的部件,也是受力最为复杂的部件,载荷研究是风力机设计中最为关键的基础性工作,也为所有后续风力机设计、分析工作提供依据。本文以NACA632-615翼型的模型叶片为研究对象,对其在运动中的载荷进行了研究。主要研究内容如下:一、综合国内外各种文献,在风力机空气动力理论的基础上,分析了风力机叶片的气动力,确定其各种载荷工况,对其进行了强度和刚度分析与校核。对后续的载荷研究提供强有力的理论支持。二、利用叶片基本特征参数修正后的具体截面的型值点,对其进行三维坐标变换,运用三维建模软件Pro/E进行精确实体建模。为叶片实体建模提供了更简便实用的方法。并保证模拟的叶片更贴近实际,更能反应实际载荷情况。三、基于研究叶片的结构特点和有限元分析软件ANSYS的特点,确定叶片有限元计算模型各个参数与各个步骤的设定原则,采用层单元和实体单元相结合的方法,以及运用自由度耦合将邻近节点进行刚性连接的处理方式,对运动叶片的载荷进行了模拟计算。四、通过有限元分析和试验的结果均可以发现,本文所研究的叶片在距离叶根大约2/3处叶片外形收缩过快,导致应力有集中现象。在以后设计中应加以改进,对今后的设计工作提供了参考的依据。五、将ANSYS软件分析的不同风速情况下叶片的应力和变形数据,与叶片动载荷试验结果进行比较,结果显示,模拟数据与试验结果有相同的变化趋势,有很好的符合性,尤其是接近于额定风速情况下,两者差别甚微。表明了此研究方法的合理性。为以后叶片的载荷分析提供一种研究方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 风力发电国内外发展现状与趋势
• 1.2.1 国外风力发电的发展
• 1.2.2 国内风力发电机的状况
• 1.3 课题研究的内容和意义
• 1.3.1 课题研究的内容
• 1.3.2 课题研究的意义
• 1.4 本章小结
• 第二章 水平轴风力机基本理论
• 2.1 风力机的基本理论
• 2.1.1 贝茨理论
• 2.1.2 涡流理论
• 2.1.3 叶素理论
• 2.1.4 动量理论
• 2.2 风力机叶片基本概念
• 2.3 翼型的介绍
• 2.3.1 几何特性
• 2.3.2 翼型
• 2.4 本章小结
• 第三章 风力机叶片的载荷计算
• 3.1 风力机叶片的气动外形
• 3.2 风力机旋转叶片的气动性能计算
• 3.2.1 翼型的来流速度
• 3.2.2 空气动力载荷
• 3.2.3 离心力载荷
• 3.2.4 重力载荷
• 3.2.5 叶片应力计算
• 3.2.6 叶片的刚度计算
• 3.3 风力机叶片三维模型的建立
• 3.3.1 叶片截面空间坐标
• 3.3.2 绘制各叶素轮廓线
• 3.3.3 叶片曲面造型
• 3.3.4 叶片实体造型
• 3.3.5 Pro/E 软件叶片建模的特点
• 3.4 本章小结
• 第四章 风力机叶片有限元计算及分析
• 4.1 有限元法介绍
• 4.1.1 有限元法的基本思想
• 4.1.2 有限元法的基本步骤
• 4.1.3 有限元法的特点
• 4.2 风力机叶片的有限元计算分析
• 4.2.1 叶片有限元模型建立
• 4.2.2 建立几何模型
• 4.2.3 叶片有限元分析
• 4.3 计算结果及分析
• 4.3.1 叶片等效应力
• 4.3.2 叶片变形分析
• 4.4 风力机叶片动载荷实验
• 4.4.1 主要设备
• 4.4.2 技术方案
• 4.4.3 实验流程
• 4.4.4 动载荷弯矩的测量
• 4.5 风力机叶片仿真结果与试验结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间取得的科研成果
• 个人简介