风力发电叶片铺放机设计与仿真研究

论文摘要

随着风力发电的迅猛增长,大容量机组和海上风电的不断涌现,叶片越来越长,越来越重。由于制造水平、材料的限制,造成了叶片制造成本高,寿命短,极易断裂,其严重阻碍了风力发电技术的进一步发展。本课题主要针对现有风力发电叶片制造成本高的缺陷,以11KW风力发电机叶片为研究对象,选用碳纤维作为增强材料,在原有的铺层理论的基础上,研制新型的复合材料叶片制造设备——铺放机,并进行运动仿真和重要部件的有限元分析,为工业应用提供必要的依据。本文设计了两套风力发电叶片铺放机设备,卧式铺放机和龙门式铺放机。卧式铺放机主要由铺放机基座、铺放小车、叶片芯模夹紧机构三大部分组成。其中铺放小车是整个设计中最重要的机构部分,主要包括铺放小车横向、纵向移动机构、送料装置、测力装置、切割装置、加热装置、铺放辊、收卷装置及导向等辅助装置。实现了铺放小车横向、纵向的移动、以及铺放角度的调整。叶片芯模夹紧机构包括机头和尾座,主要实现芯模沿自身轴线的旋转。龙门式铺放机在卧式铺放机基础上进行了简单的改进,主要包括龙门基座、铺放头、叶片芯模夹具三部分,其中铺放头功能类似于卧式铺放机的铺放小车,主要部件都一样,只是尺寸布置相对做了调整。叶片芯模夹紧机构沿用了卧式铺放机的设计。两种方案各有优缺点,在一定程度上,龙门式铺放机优点更明显,设计更显合理,铺放角度调整更容易实现,空间占用更小。设计过程中以Pro/E为平台,对整个铺放设备建立了完整的三维模型,还建立了一系列参数化标准件库和大量互换性零件库,缩短设计周期,提高设计效率。同时,利用Pro/E中Pro/Mechanism模块对卧式铺放机做出了叶片铺放过程运动仿真,使整个运动过程更加直观,对指导生产过程有很大帮助。本文运用ANSYS强大的有限元分析功能,选取卧式铺放机中支撑整个铺放小车横向移动的横向溜板进行了有限元分析,与实际理论计算结果相比较,证明了设计的可行性和可靠性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及来源
• 1.2 课题国内外相关现状
• 1.3 课题研究的目的及意义
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 叶片铺层分析
• 2.1 叶片翼型选择
• 2.2 叶片结构设计
• 2.2.1 叶片结构分类
• 2.2.2 叶片结构形式设计
• 2.2.3 叶片根端连接设计
• 2.3 叶片铺层设计
• 2.3.1 叶片铺层顺序设计
• 2.3.2 叶片铺层厚度设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 铺放机构设计及建模
• 3.1 铺放成型概述
• 3.2 铺放机整体设计方案一
• 3.2.1 叶片铺放方案
• 3.2.2 铺放机整体传动方案选择
• 3.2.3 铺放机主要电机选择
• 3.3 铺放小车机构设计
• 3.3.1 送料机构设计
• 3.3.2 测力机构设计
• 3.3.3 切割机构设计
• 3.3.4 加热机构设计
• 3.3.5 铺放辊设计
• 3.3.6 收卷装置设计
• 3.4 叶片芯模夹紧机构设计
• 3.4.1 夹紧卡盘设计
• 3.4.2 尾座设计
• 3.5 方案一铺放机结构设计小结
• 3.6 铺放机整体设计方案二
• 3.6.1 整体设计
• 3.6.2 铺放头设计
• 3.7 方案二龙门铺放机
• 3.8 铺放机结构设计总结
• 第4章 风力发电叶片铺放机运动仿真
• 4.1 机构运动仿真概述
• 4.2 基于Pro/E的铺放机运动仿真
• 4.2.1 Pro/Mechanism仿真过程
• 4.2.2 铺放机运动仿真
• 4.3 本章小结
• 第5章 铺放机主要零部件结构分析
• 5.1 有限元分析概述
• 5.2 ANSYS介绍
• 5.2.1 ANSYS概述
• 5.2.2 ANSYS分析步骤
• 5.2.3 ANSYS网格划分原则
• 5.2.4 ANSYS网格划分功能
• 5.2.5 ANSYS单元类型选择方法
• 5.3 方案一铺放小车横向溜板分析
• 5.3.1 建立横向溜板有限元模型
• 5.3.2 参数设置和边界条件的确定
• 5.3.3 模型求解及后处理
• 5.3.4 结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文