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    开题报告-基于FEPG的5MW风力机叶片.ppt

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    开题报告-基于FEPG的5MW风力机叶片.ppt

    ,,,基于FEPG的5MW风力机叶片 结构分析,1,2,课题研究背景,能源危机是当前社会所面临的一个重要问题,常规能源的日渐枯竭及其带来的环境问题,发展可再生能源以成为如今世界各国科技发展的战略安排。 风能是可再生能源中近期最有前途的大型能源,风能也是目前世界上增长最快的能源,风力发电是可再生能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式,风力发电机的研究对我国的发展具有重大意义。 风机叶片是风力机的关键部件之一,叶片的翼型、结构形式直接影响风力发电装置的性能和功率,是风力发电机中最核心的部件。叶片技术成为制约风力发电大力发展的瓶颈。,3,结构分析,静力分析,疲劳强度分析,模态分析,稳定性分析,结构分析的组成,4,课题研究意义,5,6,,,,国内外 研究现状,,,,,叶片载荷分析研究现状,目前风机叶片研究的目的,叶片结构设计分析研究现状,7,,,,叶片载荷分析研究现状,8,,,,9,,,叶片结构设计分析研究现状,10,11,,,基于仿真结果进行优化设计分析,运用有限元/有限体积计算程序FEPG进行计算,运用前、后处理 软件GID对风机叶片进行前、后处理操作,实现原始翼型坐标变换并利用UG进行叶片三维建模,主要研究内容,针对问题运用有限元语言编写pFEPG脚本,12,13,,,基于FEPG对风力机叶片进行流固耦合分析,基于FEPG对风力机叶片进行模态分析,根据已知气动外形数据,通过matlab及excel 进行坐标变换,再通过ug进行三维建模,14,基于FEPG对风力机叶片进行稳定性分析,基本研究思路,翼型原始坐标转换,结合各个叶素弦长和安装角,经过平移、放大、旋转及坐标旋转实现变换。,翼型初始坐标为(x0,y0,即,式中,(x1,y1)为平移后坐标,(x2,y2)为放大后坐标,(x,y)为 坐标变换后坐标,c为弦长,β为扭角。,图1 翼型坐标变换示意图,运用excel和matlab对翼型数据进行分析计算处理,15,叶片三维模型的建立,,将通过翼型坐标变换所得的翼型坐标保存在文本文档中,再导入ug软件中, 获得截面翼型曲线。,图2 截面翼型曲线,图3 叶片气动外形三维模型,通过ug中的曲面造型功能建立叶片气动外形模型,图4 叶片三维实体模型,16,,,流固耦合分析,17,对于流固耦合问题,除了要对宏观物理现象进行描述外, 还要对微观上的流固耦合方程组进行求解,该方程组包 含了流体域和固体域两个计算域。,,流固耦合分析,流场计算,结构场计算,耦合计算,18,流场计算,对于三维绝热不可压缩流动模型,其连续方程,时均化的N-S方程,式中 vi 为速度在各坐标轴方向上的量,xi 为笛卡直角坐标分量,fi 为单位质量流体力在各坐标轴方向上的分量, ρ为流体的密度,p 为流场压力,μ为动力粘度系数。,19,在风力机风场中,空气始终处于湍流状态,而湍流的随机脉动 性导致不可压牛顿流体的时均运动控制方程组需求解的未知数 函数数目多于方程数目。要解决这一问题,就需要引入湍流控 制方程。,目前工程上多采用k-ε湍流模型,因其适合高Re的流场,比较 适合大多风力机流场。,湍流模型的选取,20,k-ε湍流方程,式中, 为运动粘度系数, 为湍动能耗散率, 为流体的湍动能, 为Boussinesq粘性系数, 为通过实验确定的经验系 数,一次取值为0.09、1.00、1.30、1.44、1.92,21,结构场计算,式中,m为质量矩阵,c 为阻尼矩阵,k 为刚度矩阵, 为有限元节点的加速度, 为有限元节点的速度,u为有限元节点的位移,F为有限元节点所受的力包括压力、重力和离心力,对结构进行离散后,根据虚功原理算出结构总体刚度方程,最后得到各单元应力σ。,对于有限元法,线性结构的动力平衡方程,,,22,流固耦合数值模拟方法,有限元法(FEM),有限差分法(FDM),有限体积法(FVM),有限元法在处理不规则几何模型时有着很好的适应性,但在进 行对流项离散和求解不可压N-S方程时效果不如有限体积法; 有限差分法在规则几何体结构化网格计算中比较高效,在引入 对流项高阶格式方面比较方便,在不规则几何模型的处理上不 及有限元法和有限元体积法; 有限元体积法是目前在流动问题中应用最为广泛的数值方法。,数值模拟方法的选取,23,直接耦合法是在求解过程中将流体方程和结构方程组合成一个方 程组刚度矩阵进行处理。这种方法可利用耦合公式一次性得到 计算结果。 顺序耦合法是对流体方程和结构方程分别求解,通过将前一个分 析结果作为载荷施加到后一个分析中来实现耦合分析。各场分析 互相独立,对于各物理场之间不存在高度非线性的相互作用时, 这种方法更为有效,且计算占用内存小,可用来求解大规模问题。 基于该情况选用顺序耦合法。,流固耦合方法的选取,流固耦合方法,直接耦合法,顺序耦合法,模态分析,模态分析有限元法的基本方程为,其中,M、C、K分别为叶片结构的整体质量、阻尼和刚度矩阵;,、,和,分别为有限元节点加速度、速度和位移;,为外力矢量。,24,研究叶片结构的模态问题,也就是对叶片停机状态,叶片结构系统无 外载荷作用情况下的研究,工程上一般不考虑阻尼影响,则有,设上式通解形式为,可得叶片无阻尼下自由振动关系式为,为结构的特征向量。,1.零转速叶片下模态分析,25,2.额定转速下叶片下模态分析,就是要考虑受离心力作用下产生的动力刚化,即在模态分析之前,先 按静力分析方法计算求出旋转离心力对结构产生的旋转软化效应,此 为预应力,在模态分析中进行施加。,,,稳定性分析,叶片的稳定性分析就是屈曲分析,它是在静力分析的基础上进行的。,26,屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈 曲模态形状的技术。 经典的屈曲分析是采用特征值屈曲分析法,它适用于对一个理想 弹性体结构的理想屈曲强度进行预测,主要是使用特征值公式计 算造成结构负刚度的应力刚度矩阵的比例因子。,对于线性屈曲问题有,K为层合板所有壳单元总体刚度矩阵,S为初始几何刚度矩阵,λi预施加载荷比例系数(也叫载荷安全系数),ζi为模态特征位移向量。,求解得到的特征值和特征向量分别表示屈曲载荷因子和屈曲 模态形状,当屈曲载荷因子1.0时,结构发生失稳,此时 对应的外载荷为失稳载荷。,27,28,FEPG的实现,求解所求问题的偏微分方程,求出偏微分方程的弱形式,pFEPG脚本文件的编写,利用pFEPG自动生成有限元计算程序,解决实际问题,并行有限元程序生成软件pFEPG是一款可以运行于各类型高性能计算环境上的白盒 子并行CAE软件,也是一个高效能的数值仿真研发平台工具。,2.自动生成过程确保了程序正确性,避免了繁琐的源码调试过程。,求解迭代方法,图5 FEPG实现流程图,3.大大简化了有限元问题研发的难度,缩短了研发周期。,1.通过撰写和编辑有限元语言,pFEPG可以根据用户所述的微分方程表达 式和算法文件,自动生成其对应的并行(或串行)有限元计算源程序。,特点,29,2014.3-4搜集资料,阅读文献,确定具体研究内容。 2014.5-6熟悉课题,对已有的叶片结构设计和分析进行研究 2014.7对翼型原始数据进行坐标变换并建立叶片的三维模型。 2014.82014.10将模型导入GID进行前、后处理,联合运用fepg进行流固耦合分析、模态分析、屈曲分析。 2014.102014.11结合理论和仿真分析对风机叶片结构进行优化以增强叶片结构性能。 2014.12对之前工作进行总结完善。 2015.12014.5按照学校要求撰写论文。 2015.6制作论文PPT,准备论文答辩。,研究进度安排,30,31,1、武鑫.风能技术[M].北京科学出版社,2007. 2、赵丹平,徐宝清.风力机设计理论及方法[M].北京;北京大学出版社,2012. 3、马志勇.大型风电叶片结构设计方法研究[D].华北电力大学,2011. 4、赵丹平.风力发电机组叶片模型气动载荷研究[D].内蒙古农业大学,2009. 5、梁国平,周永发等.有限元语言及其应用[M].北京;科学出版社,2013. 6、尹耀安.大型风力机叶片设计与CFD分析[D].华中科技大学,2008. 7、张健美.大型风电机组叶片铺层设计及有限元数值模拟研究[D].华北电力大学,2012. 8、邢帅恒.风力机复合材料叶片铺层结构动力学分析[D].湘潭大学,2013. 9、袁启龙,马娜等.风力发电机叶片振动特性有限元分析[J].机械科学与技术,2014,335730-734.,参考文献,32,10、王建礼,赵晓路,廖猜猜等. 风力机叶片固有频率优化设计研究[J].工程热物理学报,2010,31111843-1846. 11、吴胜军. 复合材料风机叶片的建模及载荷仿真[D].武汉理工大学,2011. 12、刘伟,尹家聪等. 大型风力机复合材料叶片动态特性及气弹稳定性分析[J].空气动力学学报,2008,52391-395. 13、宗楠楠,董湘怀.小型风力机叶片强度的有限元分析[J].太阳能学报,2010,316764-768. 14、李德源,叶枝全等.风力机旋转风轮振动模态分析[J].太阳能学报,2004,25172-77. 15、梁明轩,陈长征.风力机叶片流固耦合效应研究[J].振动与冲击.2010,29S130-132.,33,16、P.W.Cheng,W.A.A.M.Distribution of extreme gust loads ofwind turbines[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics ,2001,89309-324. 17、Jianhong Wang, Datong Qin, TeikC.Lim . Dynamic analysis of horizontal axis wind turbine by thin-walled beam theory[J]. Journal of Sound and Vibration, 2010, 329 3565-3586. 18、Ye Zhiquan,Ma Haomin,Bao Nengsheng. Structure Dynamic Analysis of a Horizontal Axis Wind Turbine System Using a Modal Analysis Method[J]. 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