三维机织复合材料风力机叶片结构特性对比分析

发布时间：2020-04-17 00:35

【摘要】：风能是我国第三大电力来源,而叶片是风力机的关键部件。为了提高叶片的性能和质量,各种复合材料在风力机叶片中得到了广泛的应用。近些年来随着风电行业的迅猛发展,风力机叶片因共振和应力集中而断裂的现象频频发生。故研究复合材料风力机叶片的结构特性对我国风电事业发展有重要作用。三维正交机织复合材料和四轴向经编复合材料都是目前较为主流的风轮制作材料。本文的两种材料增强体为玻璃纤维,基体为同种树脂。叶片成型皆为真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺,且成型后重量相差不超过4%。这使得两种叶片在结构特性方面有很好的可比性。研究风力机叶片的结构特性主要有实验法和数值模拟法。本文应用PLUSE16.1系统测试了两种叶片的静力模态,并与数值模拟结果进行了比对。验证了通过ACP铺层完成的有限元模型的准确性,保障了后文对风轮结构特性仿真计算的可靠。对风轮结构特性的传统计算大多选取单一工况,忽略了风速变化造成的影响。本文以渐变风作为风速模型,将风力机从启动到刹车的四个工作状态离散为31工况。并添加了由于风速变化造成的风轮加速度,从而更加贴近于风机的实际工作过程。在为两种材料风轮绘制的坎贝尔图中可以看出,风力机从启动到额定工况下,由于应力钢化的作用,自然频率都是随转速增大而上扬的曲线。其次,三维正交机织复合材料风轮的一、二阶固有频率高于三倍的转动频率,动态设计满足要求。而四轴向经编复合材料风轮一阶固有频率与三倍转动频率在额定转速190rpm附近相交,不满足设计要求,需重新设计。风力机在变速工作过程中,风轮加速度会削弱应力钢化效果。刹车时的减速度与加速度作用相反且影响更为显著。虽然本文中加速度对频率的影响很微弱,但如果启动加速度较大或在阵风工况下其影响不可忽略。通过对比两种不同材料风轮的结构特性发现,相同工况下两种风轮的应力分布随铺层厚度的递减都有明显的阶梯型变化。但三维正交机织复合材料风轮的应力分布相对均匀,不易发生应力集中现象。从启动到刹车,两种材料风轮的总变形趋势相同,都与风速、转速的变化呈正相关。但由于Z纱的作用三维正交机织复合材料风轮的变形值较小,对于大型叶片以及高风速工况下更为安全可靠。
【图文】：

第一章 绪论括软件和硬件两个部分。硬件部分为 3560 B/C/D/E(idea NXI 系列)数据采集前端。前端中包含的模块类型可按照用户来选择。软件部分为 7700 型平台软件及其应用软件。其中 7 7770 型 FFT 分析和 7771 型 CPB 分析。SE 平台上的其他应用软件相结合，可满足用户在数据记录与分析（如实验模态分析、OMA 运行模态分析）、机械故障诊阶次分析、转子动平衡、飞行器振动检测）、声品质、声学材料方面多种要求。图 1-1 为本文使用的 PLUSE16.1 的关键部件

图 1-2ANSYS Workbench 流程图Fig 1-2ANSYS Workbench flow chart国内外研究现状 国内研究现状华北电力大学的姚世刚等[3]，选取 SST 湍流模型和 RANS 方程对 Tjaerebo机叶片在不同工作环境下的流固耦合特性进行了仿真计算。发现流固耦合作但会影响叶片的应力应变分布和变形量、变形方式，，还会对整个风轮的输出及叶片上的风压载荷分布造成影响，但是只有在中高风速下它对气动性能的才是可观的。上海电力学院的张建平等[4]应用 Matlab 软件建立了更接近实际风况的nport 风谱模型，采用 Profili 软件计算了叶片的气动参数，并将上述数据导nsys 进行了动力学分析。结果发现随着风速的升高风轮的变形和应力的最大增大，且叶片的最大应力出现在中部。[5]
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM315

【参考文献】

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1 程相;郑源;高篮

本文编号：2630228