大型风电机组叶片铺层设计及有限元数值模拟研究

【摘要】：随着风电机组单机容量的不断增大,叶片的长度和重量也迅速增大,这对叶片结构的设计带来了很大的挑战。开展风电机组叶片结构铺层设计方面的研究对提高叶片的安全性、可靠性具有重要的意义。 首先研究了复合材料风电机组叶片结构的铺层设计方法。根据美国可再生能源实验室提出的经验公式对蒙皮和叶根加强层的铺层设计方法进行了探讨,运用复合材料经典层合板理论并结合牛顿迭代法编写MATLAB程序对梁帽进行了铺层设计,运用夹层板的刚度分析方法并结合牛顿迭代法对尾缘区域和剪切腹板进行了抗屈曲失稳设计。根据所提出的设计方法,对1.5MW风电机组叶片的蒙皮、梁帽、腹板、尾缘区域、剪切腹板以及叶根加强层的铺层厚度进行了求解。 其次研究了复合材料风电机组叶片的有限元建模方法。基于1.5MW风电机组叶片模型,分别从空间坐标求解、实体模型建立、几何模型导入、有限元网格模型划分、边界条件施加以及铺层设计方面进行了详细的论述。 最后基于1.5MW风电机组叶片模型,借助有限元软件分析了其不同区域的应力特征,包括前缘区域、梁帽、腹板以及尾缘区域,并且运用不同的强度准则对其进行了校核分析,分析结果表明：相对Tsai-Hill准则和Tsai-Wu准则,Hoffman准则对前缘区域、腹板和尾缘区域双向布材料的校核分析更加安全：相对Hoffman准则,Tsai-Hill准则或Tsai-Wu准则对梁帽双向布材料的校核分析更加安全；相对Hoffman准则和Tsai-Wu准则,Tsai-Hill准则对梁帽单向布材料的校核分析更加安全。 【关键词】：风电机组 叶片结构 铺层 复合材料 强度准则
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 研究现状10-12
• 1.2.1 国外研究现状11-12
• 1.2.2 国内研究现状12
• 1.3 论文研究内容12-13
• 第2章 风电机组叶片铺层设计13-36
• 2.1 引言13
• 2.2 复合材料铺层设计原则13-15
• 2.3 叶片铺层设计方法研究15-23
• 2.3.1 蒙皮铺层设计16-17
• 2.3.2 梁帽铺层设计17-21
• 2.3.3 尾缘区域和剪切腹板铺层设计21-23
• 2.3.4 叶根加强层铺层设计23
• 2.4 1.5MW叶片铺层设计23-35
• 2.4.1 载荷计算27-31
• 2.4.2 铺层厚度计算31-34
• 2.4.3 计算结果分析34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第3章 风电机组叶片有限元模型建立36-48
• 3.1 引言36
• 3.2 有限元法36-37
• 3.3 叶片的三维建模37-39
• 3.3.1 叶片空间坐标求解37-38
• 3.3.2 叶片三维模型建立38-39
• 3.4 叶片的有限元建模39-47
• 3.4.1 有限元网格模型建立39-40
• 3.4.2 边界条件施加40-41
• 3.4.3 载荷后处理41-44
• 3.4.4 铺层模型44-46
• 3.4.5 有限元模型验证46-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 风电机组叶片强度校核分析48-74
• 4.1 引言48
• 4.2 复合材料的强度准则48-51
• 4.2.1 最大应力准则48-49
• 4.2.2 最大应变准则49
• 4.2.3 Tsai-Hill准则49
• 4.2.4 Hoffman准则49-50
• 4.2.5 Tsai-Wu应力准则50-51
• 4.3 不同强度准则下的叶片铺层应力校核分析对比51-73
• 4.3.1 前缘区域铺层应力校核对比分析52-56
• 4.3.2 梁帽铺层应力校核对比分析56-61
• 4.3.3 腹板铺层应力校核对比分析61-69
• 4.3.4 尾缘区域铺层应力校核对比分析69-73
• 4.4 本章小结73-74
• 第5章 结论与展望74-76
• 5.1 结论74-75
• 5.2 研究展望75-76
• 参考文献76-79
• 在校期间发表论文和参加科研情况79-80
• 致谢80

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