為探究葉片自重對(duì)葉片結(jié)構(gòu)特性影響,基于NX參數(shù)化建模的二次開(kāi)發(fā),建立NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)葉片三維殼體模型,結(jié)合復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì),通過(guò)CFD方法獲得葉片表面壓力分布并加載至復(fù)合材料葉片模型,采用有限元法對(duì)其進(jìn)行模態(tài)、靜力及屈曲分析,得到葉片自重對(duì)其結(jié)構(gòu)特性影響。結(jié)果表明:復(fù)合材料葉片抗扭轉(zhuǎn)能力較強(qiáng),彎曲振動(dòng)是引起其疲勞破壞的主因;考慮葉片自重后,葉尖位移最多增加8.7倍,一階屈曲因子最多降低93%,最大屈曲變形量最多減小89.47%;考慮葉片自重后,180°相位角時(shí)葉片表面應(yīng)力分布最為惡劣,結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮;考慮葉片自重后,270°相位角時(shí)屈曲因子最大,180°時(shí)屈曲因子最小,分析180°相位角葉片可獲更符合工程實(shí)際的臨界屈曲載荷;額定風(fēng)載下,135°、180°及225°相位角葉片局部屈曲域處于其最長(zhǎng)截面前緣區(qū),其他情況下,易在背風(fēng)面尾緣鑲板區(qū)出現(xiàn)局部屈曲,應(yīng)對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)增強(qiáng)其抗屈曲能力;葉片自重應(yīng)加以考慮。 

【文章來(lái)源】：中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2020,40(19)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

對(duì)稱鋪層設(shè)計(jì)Fig.5Symmetriclayupdesignzx

第19期張立等：考慮自重影響的大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析6273巨大、分布廣泛、來(lái)源豐富及綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，對(duì)于緩解我國(guó)能源危機(jī)及保障國(guó)家能源安全具有深遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義[3]。風(fēng)力機(jī)已成為人類建造的外形尺寸最大的動(dòng)力機(jī)械，葉片作為主要承載及能量轉(zhuǎn)換部件，其結(jié)構(gòu)性能優(yōu)劣將直接影響發(fā)電效率及使用壽命[4]。由于復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、比強(qiáng)度高、比剛度高及減震性能好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)葉片多采用復(fù)合材料鋪層制造[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)特性開(kāi)展了許多研究。AlirezaMaheri等[6]以預(yù)扭分布、纖維方向及蒙皮厚度等為目標(biāo)優(yōu)化變量，基于遺傳算法建立氣動(dòng)彈性剪裁葉片結(jié)構(gòu)模型，研究其對(duì)風(fēng)能利用率的影響。BottassoCL等[7]基于氣動(dòng)彈性剪裁研究全材料耦合葉片和部分材料耦合葉片對(duì)于減載能力的影響。文獻(xiàn)[8]取不同極限載荷，通過(guò)模態(tài)分析研究氣動(dòng)載荷對(duì)葉片結(jié)構(gòu)固有特性影響。然而上述文獻(xiàn)中氣動(dòng)載荷均基于葉素動(dòng)量理論獲得。文獻(xiàn)[9]考慮葉片氣動(dòng)阻尼作用及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心剛化作用，研究葉片彎曲振動(dòng)的固有動(dòng)力特性，但其將葉片簡(jiǎn)化為二結(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧Ｎ墨I(xiàn)[10]對(duì)比研究流固耦合及未耦合狀態(tài)下風(fēng)力機(jī)葉片變形及振動(dòng)，但忽略葉片自重對(duì)其變形影響。文獻(xiàn)[11[采用節(jié)點(diǎn)位移法研究鋪層設(shè)計(jì)對(duì)彎扭耦合葉片的結(jié)構(gòu)性能影響，亦未考慮葉片自重對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響。文獻(xiàn)[12]通過(guò)模態(tài)及屈曲分析法對(duì)額定工況下的葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析，但未探究葉片自重對(duì)其屈曲模態(tài)影響。上述工作存在以下問(wèn)題：①通過(guò)葉素動(dòng)量理論求解氣動(dòng)載荷。此法將氣動(dòng)載荷簡(jiǎn)化為集中載荷加載至各段葉素氣動(dòng)中心處，無(wú)法考慮葉片失速流動(dòng)特性等，可能會(huì)有應(yīng)力集中現(xiàn)

6274中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)第40卷NX/OpenGrip程序二次開(kāi)發(fā)具體思路為：①選取翼型數(shù)據(jù)庫(kù)；②調(diào)用不同翼型選型數(shù)據(jù)庫(kù)中的曲線；③對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中各翼型分類；④調(diào)用對(duì)應(yīng)翼型子程序；⑤翼型子程序中導(dǎo)入翼型數(shù)據(jù)點(diǎn)；⑥連接各翼型數(shù)據(jù)點(diǎn)；⑦確定翼型參數(shù)(展向位置、弦長(zhǎng)及扭角)；⑧對(duì)翼型進(jìn)行平移、放縮及扭轉(zhuǎn)等變換操作；⑨調(diào)用曲線組命令建立葉片模型；⑩輸出葉片模型。圖2為風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)交互界面窗口。通過(guò)給定翼型類型并確定具體翼型參數(shù)，可得葉片各截面翼型，通過(guò)程序自動(dòng)調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部曲線組命令最終可建立葉片實(shí)體模型。較之現(xiàn)有葉片建模軟件(如NuMAD有限元軟件和GHBlade等軟件)，本文所提參數(shù)化建模程序具有一定通用性且無(wú)需編制特定接口，極大提高葉片建模效率。圖3為NX二次開(kāi)發(fā)程序生成的葉片實(shí)體模型。圖2二次開(kāi)發(fā)程序運(yùn)行窗口Fig.2Secondarydevelopmentprogramrunningwindowyzx圖3葉片模型Fig.3Modeloftheblade1.3結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分葉片鋪層設(shè)計(jì)通過(guò)ANSYS內(nèi)置復(fù)合材料鋪層模塊(ANSYSCompositeprepost，ACP)實(shí)現(xiàn)，采用SHELL181層合單元建立復(fù)合材料葉片模型，其為四節(jié)點(diǎn)六自由度單元，適合于復(fù)合材料層合板的線性和非線性及大扭轉(zhuǎn)分析。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，全局網(wǎng)格尺寸取0.08m，網(wǎng)格單元質(zhì)量為0.94609，滿足結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算要求，總網(wǎng)格數(shù)約9萬(wàn)，網(wǎng)格劃分如圖4。2鋪層設(shè)計(jì)現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)葉片其力學(xué)屬性為細(xì)長(zhǎng)柔性(a)葉中(b)葉根圖4葉片結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.4Meshingofthebladestructure體結(jié)構(gòu)，葉片應(yīng)同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性等要求，為此將葉片殼體按鋪層方式不同分割為不同材料面，以便賦予不同復(fù)合材

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3470311