风力机叶片的CAD系统开发及有限元分析

论文摘要

风力发电是目前最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式。风轮将风的动能转换为机械能,是风力机的核心部件;风轮由叶片和轮毂组成,其中叶片决定了风能的转换效率,是风轮的关键部件。为了达到最佳气动性能,叶片具有复杂的气动外形,其截面形状复杂,并且在翼展方向存在扭角和渐缩的弦长,构成了复杂的扭曲曲面。这使得叶片设计理论深刻、步骤繁琐、计算量大,实体建模存在较大困难。为了防止叶片发生共振导致疲劳破坏,要求叶片的固有频率远离其激振频率,因此有必要对叶片进行动力学和振动特性分析。本文以风力机叶片为研究对象,在叶片的程序化设计、CAD系统开发、三维实体造型和动力学分析等方面进行了研究。(1)在深入研究风轮基本参数和基本理论的基础上,根据Wilson法的设计流程,采用MATLAB语言,编制了风力机叶片气动外形设计和静态气动性能计算的应用程序,实现了叶片的程序化设计。(2)以上述叶片外形设计和性能计算的MATLAB应用程序为核心,利用VB设计界面,采用ACCESS作为数据库,开发了风力机叶片CAD系统——VCAD,实现了叶片设计的自动化和可视化,并以400W风力机叶片的设计实例验证了系统的可行性。(3)基于点坐标几何变换的基本原理,利用VCAD系统的设计结果,求出了叶片各截面在空间实际位置的三维坐标,根据自下而上的三维造型理论完成了20kW风力机叶片的精确造型。(4)通过Pro/E和ANSYS接口,将叶片实体模型导入ANSYS,完成了叶片的有限元模态分析,分别求出了叶片在静止时和额定转速时的前十阶固有频率、振型图及相对应力云图。通过研究叶片模态分析的振动、变形和受力特点,再综合考虑叶片实际应用情况,初步推断出振动是导致叶片断裂的主要原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 风力发电的国内外发展概况
• 1.2.1 国外风力发电发展概况
• 1.2.2 国内风力发电发展概况
• 1.3 风力机叶片的国内外研究现状
• 1.3.1 国外风力机叶片研究现状
• 1.3.2 国内风力机叶片研究现状
• 1.4 存在问题
• 1.5 研究内容
• 1.6 技术路线
• 第二章 风力机风轮的基本参数和基本理论
• 2.1 叶片翼型的几何特征与空气动力特性
• 2.1.1 翼型的几何参数和气流角
• 2.1.2 翼型的空气动力特性
• 2.1.3 常用翼型介绍
• 2.2 风轮的空气动力学
• 2.2.1 风轮的几何定义与参数
• 2.2.2 叶素的空气动力特性
• 2.2.3 风轮的推力、力矩、功率和效率的一般表达式
• 2.2.4 风轮的特性系数
• 2.3 叶片基本气动理论
• 2.3.1 贝兹理论
• 2.3.2 动量—叶素理论（BEM）
• 2.4 本章小结
• 第三章 风力机叶片的程序化设计
• 3.1 叶片外形重要参数的选取
• 1'>3.1.1 额定风速V₁
• 0'>3.1.2 尖速比λ₀
• 3.1.3 风轮叶片数B
• 3.1.4 风轮直径D
• 3.1.5 翼型及其升阻比
• 3.2 叶片气动外形设计
• 3.2.1 Wilson 法设计思想
• 3.2.2 Wilson 法数学模型
• 3.2.3 Wilson 法设计步骤
• 3.3 叶片设计的MATLAB 应用程序
• 3.3.1 MATLAB 简介
• 3.3.2 程序流程
• 3.3.3 利用MATLAB 解决的难点问题
• 3.3.4 设计计算结果的输出
• 3.4 叶片静态气动性能模拟计算
• 3.4.1 气动性能计算的性能指标
• 3.4.2 气动性能计算的数学模型
• 3.4.3 气动性能计算的步骤
• 3.4.4 气动性能计算的MATLAB 具体实现
• 3.4.5 气动性能计算的结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 风力机叶片的CAD 系统开发
• 4.1 开发软件的选择
• 4.1.1 MATLAB 在系统中的应用
• 4.1.2 VB 的功能特点
• 4.1.3 ACCESS——简单实用的数据库系统
• 4.2 软件接口方法
• 4.2.1 VB 与MATLAB 接口
• 4.2.2 VB 与ACCESS 接口
• 4.3 系统功能及界面设计
• 4.3.1 系统界面
• 4.3.2 数据库设计
• 4.3.3 图形显示
• 4.3.4 文件操作
• 4.4 设计实例及结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 风力机叶片的三维实体造型及有限元模态分析
• 5.1 软件及其接口介绍
• 5.1.1 Pro/ENGINEER 简介
• 5.1.2 ANSYS 简介
• 5.1.3 PRO/E 与ANSYS 接口简介
• 5.2 基于PRO/E 的叶片三维实体造型
• 5.2.1 叶片截面空间坐标的求解
• 5.2.2 叶片三维实体造型
• 5.3 基于ANSYS的叶片有限元模态分析
• 5.3.1 叶片的振动
• 5.3.2 模态分析的概念及基本理论
• 5.3.3 ANSYS 模态提取方法
• 5.3.4 ANSYS 模态分析步骤
• 5.3.5 20kW 叶片的模态分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介