隨著風力機功率的不斷增加,其葉片尺寸也愈來愈大,若設計不當則會發(fā)生嚴重的安全事故,如何保證風力機的安全穩(wěn)定運行成為了設計人員需要考慮的最重要的因素之一。從風力機的運行環(huán)境來看,葉片長期處于風沙大、受壓強的高空中,除需要一種耐侵蝕、強度高、重量輕的材料作為葉片的主要制作材料外,合理的結構設計對其也是不可或缺的。對于復合材料葉片的設計,理論支撐、模擬計算、實驗驗證缺一不可,方可保證葉片的安全性和可靠性。葉片在運行中受到拉伸、壓縮、彎曲、扭轉等多種形式的載荷,分析其對葉片本身的影響均具有重要意義,本文主要對葉片進行彎曲方面的研究。以8MW風力機葉片為對象,以葉素動量理論為基礎,使用NH02系列翼型進行初步氣動外形設計,并將設計所得參數轉化為實際空間坐標,利用Auto CAD以及UG軟件進行葉片三維實體建模。根據層合板理論對玻璃纖維增強復合材料進行彎曲試驗,經分析得知玻璃纖維增強樹脂基層合板的抗彎強度主要由0°鋪層提供,適當加入一定比例的±45°鋪層可略微增大其彎曲模量。在斷口形式方面,含有±45°鋪層的層合板在材料斷裂時具有顯著優(yōu)勢,單一方向纖維的層合板易發(fā)生完全斷裂,加入±45°鋪層后可防止此狀況的發(fā)生。以葉片實體模型為基礎進行吸力面、壓力面和腹板模具的創(chuàng)建,并以3D打印的方式將其制作。對梁帽、腹板及蒙皮進行鋪層結構設計,確定其構型和尺寸,在所制作的模具上鋪設并最終得到葉片模型。通過對葉片模型進行靜載試驗獲得葉尖位移及梁帽部位應變數據,可知碳纖維有著明顯優(yōu)于玻璃纖維的性能,且將梁帽或腹板改為混合鋪層,在抗揮舞方面都要比單一鋪層更為優(yōu)良。其中,0°鋪層角對于提高葉片的抗揮舞性要優(yōu)于±45°鋪層角。碳纖維梁帽中的±45°鋪層替換為0°鋪層所表現出的性能要優(yōu)于±45°玻璃纖維腹板鋪層中摻入0°鋪層。結合葉片結構有限元分析,對比實驗和模擬計算之間的異同,驗證了實驗結論的可靠性,并分析得到了兩者產生差別的人為原因和系統原因,為以后的研究提供了參考。本文創(chuàng)新之處為在葉片氣動設計和結構設計的基礎上,為使研究更方便提出進行模型試驗的方法,一定程度上能夠反映葉片的結構性能,對實際葉片的安全運行具有工程參考價值。在有限元分析中通過分載荷步加載的方式來實現模擬與實驗的結合,使得模擬計算盡可能地貼近實驗中的加載過程,為以后實驗與計算的對比分析提供了一種新的可能性。
【學位單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TK83
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 風力機葉片研究現狀
        1.2.1 國內研究現狀
        1.2.2 國外研究現狀
    1.3 課題的來源和研究內容
    1.4 創(chuàng)新點
    1.5 本章結論
第2章 葉片氣動外形設計研究
    2.1 葉片氣動設計理論
        2.1.1 經典葉素理論
        2.1.2 動量葉素理論
        2.1.3 普朗特損失因子
        2.1.4 葛勞渥特損失因子
    2.2 大型風力機葉片氣動外形設計
        2.2.1 翼型選擇
        2.2.2 XFOIL及Profili的介紹和應用
        2.2.3 葉片主要設計參數
        2.2.4 葉片尺寸縮比
        2.2.5 UG中葉片的建模
    2.3 本章結論
第3章 層合板理論及實驗研究
    3.1 復合材料
        3.1.1 復合材料的分類和特性
        3.1.2 碳纖維在葉片中的應用
    3.2 經典層合板理論
    3.3 層合板實驗研究
        3.3.1 板材試件制作
        3.3.2 試驗測試方法
        3.3.3 試驗結果分析
    3.4 本章結論
第4章 葉片結構設計及靜載試驗
    4.1 工字梁理論
    4.2 結構設計
        4.2.1 梁帽設計
        4.2.2 腹板設計
        4.2.3 蒙皮設計
    4.3 模型葉片制作
        4.3.1 模具制作
        4.3.2 葉片鋪設
    4.4 靜載試驗
        4.4.1 試驗儀器
        4.4.2 應變片的粘貼和防護
        4.4.3 電阻應變片及其工作原理
        4.4.4 靜態(tài)電阻應變儀
        4.4.5 試驗測量過程
        4.4.6 試驗結果分析
    4.5 本章結論
第5章 葉片有限元分析
    5.1 有限元分析軟件ANSYS
        5.1.1 ANSYS的組成及功能
        5.1.2 ANSYS在風力機中的應用
    5.2 葉片在流場中的載荷計算
        5.2.1 模型創(chuàng)建
        5.2.2 流場網格劃分
        5.2.3 設置邊界條件
        5.2.4 計算及數據導出
    5.3 基于MechanicalAPDL的鋪層結構分析
        5.3.1 單元類型
        5.3.2 材料參數
        5.3.3 葉片網格劃分
        5.3.4 加載計算
        5.3.5 結果分析
    5.4 模擬、實驗與理論結果對比
    5.5 本章結論
第6章 結論與展望
    6.1 結論
    6.2 展望
參考文獻
致謝
附錄A 攻讀學位期間所發(fā)表的學術論文目錄

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本文編號：2891376