考虑自重影响的大型风力机复合材料叶片结构力学特性分析
发布时间：2021-11-01 14:58
为探究叶片自重对叶片结构特性影响,基于NX参数化建模的二次开发,建立NREL 5 MW风力机叶片三维壳体模型,结合复合材料铺层设计,通过CFD方法获得叶片表面压力分布并加载至复合材料叶片模型,采用有限元法对其进行模态、静力及屈曲分析,得到叶片自重对其结构特性影响。结果表明:复合材料叶片抗扭转能力较强,弯曲振动是引起其疲劳破坏的主因;考虑叶片自重后,叶尖位移最多增加8.7倍,一阶屈曲因子最多降低93%,最大屈曲变形量最多减小89.47%;考虑叶片自重后,180°相位角时叶片表面应力分布最为恶劣,结构分析时应优先考虑;考虑叶片自重后,270°相位角时屈曲因子最大,180°时屈曲因子最小,分析180°相位角叶片可获更符合工程实际的临界屈曲载荷;额定风载下,135°、180°及225°相位角叶片局部屈曲域处于其最长截面前缘区,其他情况下,易在背风面尾缘镶板区出现局部屈曲,应对这些区域进行优化设计增强其抗屈曲能力;叶片自重应加以考虑。
【文章来源】：中国电机工程学报. 2020,40(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
对称铺层设计Fig.5Symmetriclayupdesignzx
第19期张立等：考虑自重影响的大型风力机复合材料叶片结构力学特性分析6273巨大、分布广泛、来源丰富及绿色无污染等优点受到广泛关注，对于缓解我国能源危机及保障国家能源安全具有深远战略意义[3]。风力机已成为人类建造的外形尺寸最大的动力机械，叶片作为主要承载及能量转换部件，其结构性能优劣将直接影响发电效率及使用寿命[4]。由于复合材料具有质量轻、耐腐蚀、比强度高、比刚度高及减震性能好等优点，现代大型风力机叶片多采用复合材料铺层制造[5]。国内外学者对风力机复合材料叶片结构特性开展了许多研究。AlirezaMaheri等[6]以预扭分布、纤维方向及蒙皮厚度等为目标优化变量，基于遗传算法建立气动弹性剪裁叶片结构模型，研究其对风能利用率的影响。BottassoCL等[7]基于气动弹性剪裁研究全材料耦合叶片和部分材料耦合叶片对于减载能力的影响。文献[8]取不同极限载荷，通过模态分析研究气动载荷对叶片结构固有特性影响。然而上述文献中气动载荷均基于叶素动量理论获得。文献[9]考虑叶片气动阻尼作用及旋转产生的离心刚化作用，研究叶片弯曲振动的固有动力特性，但其将叶片简化为二结点梁单元。文献[10]对比研究流固耦合及未耦合状态下风力机叶片变形及振动，但忽略叶片自重对其变形影响。文献[11[采用节点位移法研究铺层设计对弯扭耦合叶片的结构性能影响，亦未考虑叶片自重对结构性能影响。文献[12]通过模态及屈曲分析法对额定工况下的叶片进行结构性能分析，但未探究叶片自重对其屈曲模态影响。上述工作存在以下问题：①通过叶素动量理论求解气动载荷。此法将气动载荷简化为集中载荷加载至各段叶素气动中心处，无法考虑叶片失速流动特性等，可能会有应力集中现
6274中国电机工程学报第40卷NX/OpenGrip程序二次开发具体思路为：①选取翼型数据库；②调用不同翼型选型数据库中的曲线；③对数据库中各翼型分类；④调用对应翼型子程序；⑤翼型子程序中导入翼型数据点；⑥连接各翼型数据点；⑦确定翼型参数(展向位置、弦长及扭角)；⑧对翼型进行平移、放缩及扭转等变换操作；⑨调用曲线组命令建立叶片模型；⑩输出叶片模型。图2为风力机叶片参数化设计交互界面窗口。通过给定翼型类型并确定具体翼型参数，可得叶片各截面翼型，通过程序自动调用系统内部曲线组命令最终可建立叶片实体模型。较之现有叶片建模软件(如NuMAD有限元软件和GHBlade等软件)，本文所提参数化建模程序具有一定通用性且无需编制特定接口，极大提高叶片建模效率。图3为NX二次开发程序生成的叶片实体模型。图2二次开发程序运行窗口Fig.2Secondarydevelopmentprogramrunningwindowyzx图3叶片模型Fig.3Modeloftheblade1.3结构网格划分叶片铺层设计通过ANSYS内置复合材料铺层模块(ANSYSCompositeprepost，ACP)实现，采用SHELL181层合单元建立复合材料叶片模型，其为四节点六自由度单元，适合于复合材料层合板的线性和非线性及大扭转分析。经网格无关性验证后，全局网格尺寸取0.08m，网格单元质量为0.94609，满足结构响应计算要求，总网格数约9万，网格划分如图4。2铺层设计现代大型风力机叶片其力学属性为细长柔性(a)叶中(b)叶根图4叶片结构网格划分Fig.4Meshingofthebladestructure体结构，叶片应同时满足强度、刚度及稳定性等要求，为此将叶片壳体按铺层方式不同分割为不同材料面，以便赋予不同复合材
【参考文献】：
期刊论文
[1]柔性弹片控制翼型流动分离的流固耦合研究[J]. 刘青松,陈福东,李春,缪维跑,郝文星. 中国电机工程学报. 2020(06)
[2]极限海况下三种海上风力机半潜平台的动态响应对比[J]. 王博,许子非,李春,邓允河,刘青松. 动力工程学报. 2020(01)
[3]基于复合材料铺层的兆瓦级风力机叶片结构性能分析[J]. 孙瑞,李春,陈文朴. 材料科学与工程学报. 2019(02)
[4]风波耦合作用下垂荡板对漂浮式风力机Spar平台动态响应影响[J]. 丁勤卫,李春,袁伟斌,郝文星,余万. 中国电机工程学报. 2019(04)
[5]应用于气动弹性剪裁的大型风力机叶片弯扭耦合性能研究[J]. 刘宇航,王渊博,李春,孙瑞,郝文星. 动力工程学报. 2018(12)
[6]气动载荷对风力机叶片动态结构特性影响分析[J]. 陈文朴,李春,汤金桦,孙瑞. 热能动力工程. 2017(04)
[7]大型水平轴风力发电机组塔筒非线性屈曲分析[J]. 杜静,周云鹏,郭智. 太阳能学报. 2016(12)
[8]基于CATIA二次开发的风电叶片三维建模[J]. 黄风山,姚晓彤,卞伟. 机械设计与制造. 2016(09)
[9]分离涡流场数值仿真的参数影响研究[J]. 胡岳,张涛. 机械工程学报. 2016(12)
[10]风力机叶片流固耦合计算分析[J]. 胡丹梅,张志超,孙凯,张建平. 中国电机工程学报. 2013(17)
硕士论文
[1]大型风力机叶片的优化设计与有限元分析[D]. 朱旭.兰州理工大学 2013
[2]复合材料风力叶片结构的有限元分析[D]. 费金凡.武汉理工大学 2009
本文编号：3470311
【文章来源】：中国电机工程学报. 2020,40(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
对称铺层设计Fig.5Symmetriclayupdesignzx
第19期张立等：考虑自重影响的大型风力机复合材料叶片结构力学特性分析6273巨大、分布广泛、来源丰富及绿色无污染等优点受到广泛关注，对于缓解我国能源危机及保障国家能源安全具有深远战略意义[3]。风力机已成为人类建造的外形尺寸最大的动力机械，叶片作为主要承载及能量转换部件，其结构性能优劣将直接影响发电效率及使用寿命[4]。由于复合材料具有质量轻、耐腐蚀、比强度高、比刚度高及减震性能好等优点，现代大型风力机叶片多采用复合材料铺层制造[5]。国内外学者对风力机复合材料叶片结构特性开展了许多研究。AlirezaMaheri等[6]以预扭分布、纤维方向及蒙皮厚度等为目标优化变量，基于遗传算法建立气动弹性剪裁叶片结构模型，研究其对风能利用率的影响。BottassoCL等[7]基于气动弹性剪裁研究全材料耦合叶片和部分材料耦合叶片对于减载能力的影响。文献[8]取不同极限载荷，通过模态分析研究气动载荷对叶片结构固有特性影响。然而上述文献中气动载荷均基于叶素动量理论获得。文献[9]考虑叶片气动阻尼作用及旋转产生的离心刚化作用，研究叶片弯曲振动的固有动力特性，但其将叶片简化为二结点梁单元。文献[10]对比研究流固耦合及未耦合状态下风力机叶片变形及振动，但忽略叶片自重对其变形影响。文献[11[采用节点位移法研究铺层设计对弯扭耦合叶片的结构性能影响，亦未考虑叶片自重对结构性能影响。文献[12]通过模态及屈曲分析法对额定工况下的叶片进行结构性能分析，但未探究叶片自重对其屈曲模态影响。上述工作存在以下问题：①通过叶素动量理论求解气动载荷。此法将气动载荷简化为集中载荷加载至各段叶素气动中心处，无法考虑叶片失速流动特性等，可能会有应力集中现
6274中国电机工程学报第40卷NX/OpenGrip程序二次开发具体思路为：①选取翼型数据库；②调用不同翼型选型数据库中的曲线；③对数据库中各翼型分类；④调用对应翼型子程序；⑤翼型子程序中导入翼型数据点；⑥连接各翼型数据点；⑦确定翼型参数(展向位置、弦长及扭角)；⑧对翼型进行平移、放缩及扭转等变换操作；⑨调用曲线组命令建立叶片模型；⑩输出叶片模型。图2为风力机叶片参数化设计交互界面窗口。通过给定翼型类型并确定具体翼型参数，可得叶片各截面翼型，通过程序自动调用系统内部曲线组命令最终可建立叶片实体模型。较之现有叶片建模软件(如NuMAD有限元软件和GHBlade等软件)，本文所提参数化建模程序具有一定通用性且无需编制特定接口，极大提高叶片建模效率。图3为NX二次开发程序生成的叶片实体模型。图2二次开发程序运行窗口Fig.2Secondarydevelopmentprogramrunningwindowyzx图3叶片模型Fig.3Modeloftheblade1.3结构网格划分叶片铺层设计通过ANSYS内置复合材料铺层模块(ANSYSCompositeprepost，ACP)实现，采用SHELL181层合单元建立复合材料叶片模型，其为四节点六自由度单元，适合于复合材料层合板的线性和非线性及大扭转分析。经网格无关性验证后，全局网格尺寸取0.08m，网格单元质量为0.94609，满足结构响应计算要求，总网格数约9万，网格划分如图4。2铺层设计现代大型风力机叶片其力学属性为细长柔性(a)叶中(b)叶根图4叶片结构网格划分Fig.4Meshingofthebladestructure体结构，叶片应同时满足强度、刚度及稳定性等要求，为此将叶片壳体按铺层方式不同分割为不同材料面，以便赋予不同复合材
【参考文献】：
期刊论文
[1]柔性弹片控制翼型流动分离的流固耦合研究[J]. 刘青松,陈福东,李春,缪维跑,郝文星. 中国电机工程学报. 2020(06)
[2]极限海况下三种海上风力机半潜平台的动态响应对比[J]. 王博,许子非,李春,邓允河,刘青松. 动力工程学报. 2020(01)
[3]基于复合材料铺层的兆瓦级风力机叶片结构性能分析[J]. 孙瑞,李春,陈文朴. 材料科学与工程学报. 2019(02)
[4]风波耦合作用下垂荡板对漂浮式风力机Spar平台动态响应影响[J]. 丁勤卫,李春,袁伟斌,郝文星,余万. 中国电机工程学报. 2019(04)
[5]应用于气动弹性剪裁的大型风力机叶片弯扭耦合性能研究[J]. 刘宇航,王渊博,李春,孙瑞,郝文星. 动力工程学报. 2018(12)
[6]气动载荷对风力机叶片动态结构特性影响分析[J]. 陈文朴,李春,汤金桦,孙瑞. 热能动力工程. 2017(04)
[7]大型水平轴风力发电机组塔筒非线性屈曲分析[J]. 杜静,周云鹏,郭智. 太阳能学报. 2016(12)
[8]基于CATIA二次开发的风电叶片三维建模[J]. 黄风山,姚晓彤,卞伟. 机械设计与制造. 2016(09)
[9]分离涡流场数值仿真的参数影响研究[J]. 胡岳,张涛. 机械工程学报. 2016(12)
[10]风力机叶片流固耦合计算分析[J]. 胡丹梅,张志超,孙凯,张建平. 中国电机工程学报. 2013(17)
硕士论文
[1]大型风力机叶片的优化设计与有限元分析[D]. 朱旭.兰州理工大学 2013
[2]复合材料风力叶片结构的有限元分析[D]. 费金凡.武汉理工大学 2009
本文编号：3470311
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