FRP风力机叶片设计与有限元分析

论文摘要

随着化石能源的过渡消耗以及其对环境带来的严重影响,风能凭借其清洁、可循环利用等诸多优点而越来越受到重视,各国都在积极开发利用本国的风能资源,中国也不例外。近几年我国的风能发电业发展到一定的规模,但是我国关于风力发电技术的研究远落后于世界各国,尤其是风力发电机的关键技术。本文对风力发电机的关键部件叶片进行了研究。主要研究工作如下:1.根据风力发电机叶片设计的经典理论设计叶片的外形,利用三维建模软件Pro/E建立叶片的三维实体模型。其中根据叶片翼型数据较多的设计特点,在传统建模方法无法实现的情况下,提出了导入数据文件的建模方法,提高了模型的建立效率。2.依照飞机结构设计中的机翼及螺旋桨叶的铺层设计经验,结合风力发电机叶片空气动力学受力特点,以1.1MW风力机叶片的设计为对象,分析确定了一种铺层方案,为动力学分析提供了研究模型。3.利用ANSYS有限元分析软件,使用复合材料SOLID185单元对叶片模型进行了静力分析和模态分析,并绘出叶片在停机风速下的应力情况图,同时确定出叶片的前十阶固有频率。结合叶片断裂的问题分析,为叶片的结构设计提供了参考依据。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 世界风力发电的历史、现状及前景
• 1.2 课题研究背景及来源
• 1.3 风力发电机叶片技术的发展与现状
• 1.4 课题研究的目的及意义
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 风力机叶片的气动设计与建模
• 2.1 风力机的基本理论
• 2.1.1 贝茨（betz）理论
• 2.1.2 葛劳涯的风能旋涡理论
• 2.2 风力机基本概念
• 2.2.1 风力发电机系统简介
• 2.2.2 翼型介绍及选择
• 2.2.3 翼型几何参数
• 2.2.4 风轮叶片空气动力学相关计算
• 2.3 风力机叶片的气动设计
• 2.3.1 风力机直径的确定
• 2.3.2 叶尖速比的确定
• 2.3.3 风轮的叶片数
• 2.3.4 翼型选取
• 2.3.5 叶片从转动中心至叶尖不同位置的尖速比
• i'>2.3.6 叶片从转动中心至叶尖不同半径处的剖面翼型弦长L_i
• i'>2.3.7 叶片的实际安装角θ_i
• 2.4 基于PRO/E的叶片三维建模
• 2.4.1 NACA4412叶型型值点的选取
• 2.4.2 叶片各叶素空间坐标的求解
• 2.4.3 三维建模
• 第3章 风力机FRP叶片的结构设计
• 3.1 确定叶剖面结构形式
• 3.1.1 风力机叶剖面结构分类
• 3.1.2 玻璃钢（FRP）叶剖面设计
• 3.2 叶片的铺层设计
• 3.2.1 FRP叶片成型工艺的选择
• 3.2.2 叶片的铺层序列的确定
• 3.2.3 叶剖面厚度的确定
• 3.2.4 叶片缠绕层建模
• 3.3 叶片的根端连接设计
• 3.4 载荷分析
• 第4章 风力机叶片有限元分析
• 4.1 叶片静力分析过程
• 4.1.1 利用HyperMesh进行网格划分
• 4.1.2 材料属性设置
• 4.1.3 边界条件的确定
• 4.1.4 强度校核准则
• 4.1.5 静力分析结果显示
• 4.2 叶片动力学分析过程
• 4.2.1 动力学分析分类及典型求解过程
• 4.2.2 针对风力机叶片的动力学分析
• 4.2.3 模态分析过程
• 4.2.4 结果分析
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 待解决的问题
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间发表的论文