基于弯扭耦合的仿生自适应风力机叶片的设计与评估

发布时间：2021-05-08 06:52

　　在绿色能源日益被重视的今天,风力发电已在全球范围内得到快速发展,风力发电技术已成为各国学者研究的热点。风力机叶片作为风机系统的重要部件,随着叶片的大型化,具有良好柔顺性的自适应叶片必将成为未来叶片的发展趋势。本文对具有弯扭耦合的自适应叶片的设计与评估作了研究,以及对借鉴植物叶片柔性结构的风机叶片仿生设计作了初步的探讨。叶片一般由纤维复合材料制成,首先,论文用解析方法和实例证明了纤维层合板弯扭耦合的可设计性。且基于梁单元理论,结合有限元法推导出叶片的耦合控制系数与刚度的表达式。接下来,以1.5MW叶片为基准,设计了三种自适应叶片设计模型,并对其作了深入的分析与探讨。结果表明,应用15°²5°之间的偏轴碳纤维,可以设计出具有高弯扭耦合性能的自适性叶片。叶片的层间应变与应力都随偏轴角的增加而增大,应尽量采用25°之前的偏轴纤维,以确保叶片结构的安全性。相比之下,虽然偏轴纤维的体积比对叶片的刚度与耦合效应有直接影响,但对叶片的层间应变与应力的影响不大。综合考虑可得,偏轴碳纤维梁帽叶片成为耦合叶片设计的首选。结合叶片的耦合设计,借鉴抗风型植物叶片的叶脉拓扑网络,设计了一种中... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：79 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 国内外风电发展概况
        1.1.1 国外风电发展
        1.1.2 国内风电发展与前景
    1.2 国内外风机自适应叶片发展
        1.2.1 自适应叶片的研究目的
        1.2.2 国内外自适应叶片的发展
    1.3 国内外风机叶片的仿生研究
    1.4 课题的来源与研究意义
        1.4.1 课题的来源
        1.4.2 课题的研究意义
    1.5 课题的主要研究内容
第二章 叶片弯扭耦合的设计理论
    2.1 叶片弯扭耦合设计效应
        2.1.1 叶片的卸载效应
        2.1.2 稳定功率输出
    2.2 叶片材料与耦合关系
        2.2.1 复合材料叶片
        2.2.2 复合材料层合板叠层理论
    2.3 实例验证
    2.4 叶片中的铺层与耦合效应
        2.4.1 耦合控制系数
        2.4.2 影响耦合控制系数的因素
    2.5 本章小节
第三章 自适应叶片的设计与建模
    3.1 自适应叶片的设计
        3.1.1 自适应叶片翼型设计
        3.1.2 材料的选择
    3.2 自适应叶片的有限元建模
        3.2.1 设计叶片与模型验证
        3.2.2 自适应叶片的基准模型
    3.3 本章小节
第四章 自适应叶片的参数化设计
    4.1 叶片的可靠性评估
        4.1.1 截面耦合系数与刚度
        4.1.2 叶片整体耦合系数与刚度
        4.1.3 叶片结构安全性指标
    4.2 叶片的参数化设计与评估
        4.2.1 叶片工况
        4.2.2 风载作用
        4.2.3 参数化设计与评估
    4.3 本章小结
第五章 叶片的仿生设计与评估
    5.1 风机叶片的仿生设计
        5.1.1 植物叶片的柔顺结构与可仿生性
        5.1.2 植物叶片的叶脉网络
        5.1.3 风机叶片的应力轨迹
        5.1.4 叶片铺层的仿生设计
    5.2 叶片的卸载效应与输出功率
    5.3 叶片的疲劳特性
        5.3.1 复合材料的疲劳损伤
        5.3.2 叶片的疲劳载荷与损伤理论
    5.4 叶片的疲劳性能估算
        5.4.1 基准叶片的疲劳寿命
        5.4.2 自适应叶片的疲劳寿命
    5.5 本章小节
结论与展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]风力机柔性叶片的仿生设计与性能[J]. 刘旺玉,张鑫,刘希凤,龚佳兴.  机械设计. 2010(05)
[2]植物叶片中轴图式与力学自适应性的关系（Ⅱ）——不同向量角的叶脉结构和叶片拓扑图[J]. 刘旺玉,龚佳兴,侯文峰.  华南理工大学学报(自然科学版). 2009(08)
[3]能源战略转型:风电发展的机遇[J]. 原松华.  中国发展观察. 2009(06)
[4]风力发电现状和复合材料在风机叶片上的应用（2）[J]. 李祖华.  高科技纤维与应用. 2008(03)
[5]风力机疲劳问题分析[J]. 张峥,陈欣.  华北水利水电学院学报. 2008(03)
[6]风力机叶片材料特性分析与评价[J]. 张礼达,任腊春,陈荣盛,毛金铎,廉玲军,王旭.  现代零部件. 2008(06)
[7]全球风电发展现状及展望[J]. 阿瑟劳斯·泽尔沃斯,王艳.  中国能源. 2008(04)
[8]大型失速型风力发电机动态特性研究[J]. 包能胜,徐军平,倪维斗,叶枝全.  太阳能学报. 2007(12)
[9]植物叶片中轴图式与力学自适应性的关系（Ⅰ）——试验研究和数值模拟[J]. 刘旺玉,侯文峰,欧元贤.  华南理工大学学报(自然科学版). 2007(03)
[10]ANSYS在航空复合材料数字化设计与制造工艺中的应用[J]. 孟志华.  航空制造技术. 2006(01)

博士论文
[1]大型风力机变桨距控制技术研究[D]. 林勇刚.浙江大学 2005

硕士论文
[1]水平轴风力机叶片多目标优化设计及结构动力学分析[D]. 韩新月.汕头大学 2008
[2]风力机旋转叶片动力特性及响应分析[D]. 信伟平.汕头大学 2005



本文编号：3174881