大型风力机形状记忆合金复合材料叶片的结构动力学分析

论文摘要

风能利用的主要方式就是风力发电。而在风力机系统当中,叶片又是必不可少的部分,叶片的结构和强度对风力发电机的可靠性起决定作用。在风力机系统中,复合材料叶片由于有着一般金属材料叶片无法比拟的优势,开始受到重视。本文针对形状记忆合金（SMA）复合材料叶片的结构动力学问题进行了初步的研究探索。首先,介绍了SMA的主要力学行为以及描述其力学行为的本构关系模型,给出了SMA回复力和马氏体含量随温度变化的关系曲线。在采用弯扭耦合梁理论建立风力机复合材料叶片的自由振动方程的基础上,通过计算分析了由NiTi/石墨/环氧树脂粘合而成的复合材料夹芯结构臂梁简化叶片模型固有振动特性。根据拉格朗日方程建立考虑复合材料叶片旋转刚体运动的振动方程,采用Galerkin法建立了广义坐标表示的弯扭耦合叶片的低阶固有振动分析模型。数值分析显示出复合材料的铺层方式和铺层角、SMA含量、温度以及风力机叶片旋转角速度对复合材料风力机叶片的固有频率和振型的影响。根据典型截面结构模型和准定常流的气动力模型,建立了叶片气动弹性稳定性的分析方法。分别计算了不同风速下风力机叶片运动时的特征值,对比分析了叶片运动的稳定性,然后利用龙格-库塔法进行验证。最后,采用ANSYS有限元分析软件对风力机复合材料叶片的固有振动特性进行了仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 风力机简介
• 1.2 风力机发展史与现状
• 1.3 风力机复合材料叶片结构动力学研究进展
• 1.4 SMA的研究现状
• 1.5 本文的主要工作
• 2 SMA丝的一维热力学本构关系
• 2.1 SMA的力学行为
• 2.2 SMA的力学模型
• 2.3 Brinson一维热力学模型
• 2.4 本章小结
• 3 复合材料层合结构的力学模型
• 3.1 复合材料层合结构力学
• 3.2 嵌入SMA纤维复合材料结构本构方程
• 3.3 本章小结
• 4 复合材料悬臂梁弯扭耦合振动分析
• 4.1 NiTi/石墨/环氧夹芯复合材料悬臂梁弯扭耦合振动
• 4.2 旋转纤维混杂复合材料悬臂梁弯扭耦合振动
• 4.3 数值计算
• 4.4 本章小结
• 5 风力机叶片颤振分析
• 5.1 叶型颤振模型及其运动微分方程
• 5.2 叶片颤振的稳定性判据
• 5.3 四阶龙格—库塔方法
• 5.4 实例
• 5.5 本章小结
• 6 复合材料风力机叶片的有限元分析
• 6.1 ANSYS复合材料动力学分析简介
• 6.2 叶片模态分析
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 攻读硕士期间主要成果
• 参考文献