复合纤维风机叶片铺层结构优化设计及应用

发布时间：2020-04-09 06:37

【摘要】：作为捕获风能的关键部件，风力机叶片的运动状况和受力情况非常复杂，其良好的结构和性能是保证风力发电机组正常稳定运行的决定因素。复合纤维风机叶片为典型的非回转体、非等厚度铺放，铺层结构复杂，其性能随铺层角度、铺层顺序和铺层厚度的不同而变化。为此，对风机叶片复合纤维铺层结构进行优化设计研究，可为风机叶片设计制造提供一定的理论基础和技术支持。在阐述复合纤维层合板结构优化设计国内外研究现状的基础上，根据复合纤维层合板的基础知识、结构优化理论和方法，制定了适合于风机叶片的结构优化方案。铺层参数对叶片性能存在耦合影响，耦合机理、耦合关系异常复杂，目前的技术方法和手段尚无法实现。为此，论文从工程角度出发，采用理论分析、有限元分析与结构优化相结合的方法，通过建立数学优化模型，运用分级优化的策略，在Optistruct中对铺层参数进行单因素优化，探求风机叶片的最优铺层方案。第一级对铺层角度优化，以层合板的应力分析为依据，建立了铺层角度与失效准则和叶片强度关系的数学模型，以结构的最大应力值最小为优化目标，铺层角度为设计变量，采用局部逼近法对铺层角度进行优化，得到满足复合纤维风机叶片性能要求的铺层角度为0°、±45°和90°。第二级对铺层厚度优化，以层合板各刚度矩阵为依据，建立叶片铺层厚度与结构刚度和质量关系的数学模型，以叶片质量和柔度最小作为优化目标，对结构铺层厚度进行优化，得到满足叶片刚度和质量要求的叶片整体基本铺层结构。第三级对铺层次序优化，确保叶片铺层次序满足制造要求，建立铺层顺序与制造约束的数学模型，以铺层规则为约束，对基本铺层结构进行铺层次序优化，得到满足叶片结构和制造要求的铺层方案。最后，优化原始铺层方案，并对二者进行结构分析和对比，结果表明优化方案的整体应力和应变均有较大程度的降低，验证了优化方案和方法的正确性和有效性。
【图文】：

装机容量,风电,增长趋势,全球

图 1-1 全球风电累计装机容量增长趋势Fig.1-1 Cumulative installed capacity growth trend of global wind power我国风电产业向大功率、大型化方向发展。据可再生能源学会统计，，截止201年，中国新增风电机组约7880台，装机容量12960MW，同比下降26.5%[2]。我国风电事业发展较晚，技术相对落后，已成为制约风电事业发展的首要问题。内蒙古风能具有分布面广、有效风时长、平均风速大等特点，总储量约占全国陆地风电储量的 50%，居全国之首。内蒙古风电事业随着国家能源结构的调整

单向板,坐标系,材料,层合板

1 、 2 、 3 称为材料主轴[33]，分别表示纤维纵向、纤维横向和层合板厚度方向。图 2-1 单向板材料坐标系Fig. 2-1 Coordinate system of unidirectional plate单向板中纤维起承载和增强作用，基体则是用来保护和支撑纤维，并起传递和分配载荷，为各向异性非均匀材料。（2）层合板（Laminate）层合板是由材料主方向不同的各单向板按照一定的次序铺放并粘结在一起所构成的结构板，其中每一个单向板叫做是层合板的一个铺层，如图 2-2 所示。
【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】：2014
【分类号】：TK83

【参考文献】