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    硕士论文-大型风力机叶片结构分析.doc

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    硕士论文-大型风力机叶片结构分析.doc

    大型风力机叶片结构分析硕士学位论文摘 要风力机叶片是整机的核心部位,而叶片的几何线型、空气动力特性等又将直接对风力机的发电总量产生效果,因此叶片设计分析在风力机设计分析中占着置关重要的位置。目前我国在风力机特别是大型风力机的研究开发能力上还不够成熟,在设计制造方面也落后于其它一些国家,主要表现在结构设计方面的实用方法和设计理论上。风电行业当前最为重要的任务就是要从整体上加强和提高相关的开发研讨水平。因此,本文从建立叶片的有限元模型入手,对叶片的整个结构进行分析与校核,以为叶片的制造、优化及可靠性分析提供参考价值,具体研究工作包括(1)运用 Matlab 对翼型原始坐标进行转换,以分块分段方法对叶片铺层材料进行设置,构建叶片有限元模型;在考虑应力刚化和旋转软化作用下,对叶片的振动特性进行研究,绘制叶片 Campbell 图,直接校核叶片共振状况,结果安全。(2)对载荷处理方法进行研究,将载荷等效处理成三个坐标方向的分布力;探讨载荷加载方法,选用线载荷施加方式将极端载荷与等效疲劳载荷分别施加到叶片,为后面工作的进行提供基础。(3)针对极端载荷情况,对叶片进行静力分析,获取整机叶片的应力应变布局并对其进行分析,从中获取危险位置,运用强度理论对几种主要材料进行了校核,并在此静力分析的基础上对叶片进行屈曲分析,验证了叶片的稳定性。(4)对疲劳分析理论和疲劳 S-N 曲线进行了简单概述,针对等效疲劳载荷情况,对叶片进行静力分析,获取危险位置,运用 Miner 线性准则对叶片疲劳寿命进行估算,满足寿命要求。关键词风力机叶片;模态频率;强度分析;稳定性分析;疲劳分析硕士学位论文IAbstractWind turbine blade is the core part of the whole machine and the geometric shape of the blade, and aerodynamic characteristics will have directly effect on the total amount of the wind turbine power generation. So design analysis of the blade occupies the important position in the design analysis of wind turbine. At present the ability of research and development is not enough mature in the wind machine in our country, especially in the view of large wind machine research and development .At the same time, the level of design and manufacture also lags behind other countries, which mainly reflects in practical methods of structure design and design theory. The most important task about wind power industry is to strengthen and improve the level of related development and seminars as a whole. Therefore, this article obtains from the established finite element model of the blade, to analyze and check the entire structure of blade, to provide the reference value for the blade manufacturing, optimization and reliability analysis. The concrete research content is as follows1 The original airfoil coordinates is transformed by software Matlab, using block segmentation method to set of the leaf layer materials, and build the finite element model of the blade; Under the action of considering stress and rotation and softening, the vibration characteristics of blade is studied, draw a picture of leaf Campbell, and directly check the condition of blade resonance. The results is safe.2 The processing method of load is studied, treat the load as equivalent into distribution of force with three coordinate direction; And the method of loading Load is studied, and select the applied way of line load to respectively apply extreme load and equivalent fatigue load to the blade for later work continued.3 In view of the conditions of extreme load, a static analysis on the blade is carried out, obtaining the whole machine blade distribution of stress and strain and analyze it. After that, dangerous position is chosen, and several main materials is checked by using the strength theory, and carry out buckling analysis based on the analysis of the static on the blade. This process verifies the stability of the blade.4 A simple overview for the theory of fatigue analysis and fatigue S-N curve is made. In view of the problem of equivalent fatigue load, a static analysis on the blade is carried out, obtain dangerous position, and the Miner linear criterion to estimate blade fatigue life is used. This process verifies that the requirement of life is satisfied.硕士学位论文IIKeywordsWind turbine blade;Nature frequency;Strength analysis;Stability analysis;Fatigue analysis硕士学位论文III目 录第 1 章 绪论 ........................................................................................................................11.1 选题背景与研究意义 ...............................................................................................11.2 国内外研究现状分析 ...............................................................................................31.2.1 叶片结构研究现状 ............................................................................................31.2.2 叶片疲劳寿命研究状况 ....................................................................................61.3 研究内容和结构安排 ...............................................................................................7第 2 章 叶片结构特性参数计算及有限元分析理论基础 ................................................82.1 叶片结构特性参数计算 ...........................................................................................82.1.1 正交各向异性单层板结构特性 ........................................................................82.1.2 层合板特性参数计算 ........................................................................................92.1.3 层合板的振动与屈曲分析基础 ......................................................................122.2 复合材料有限元分析理论基础 .............................................................................132.2.1 有限单元法基础 ..............................................................................................132.2.2 有限单元法的基本概念 ..................................................................................142.3 本章小结 .................................................................................................................15第 3 章 叶片有限元建模及振动特性研究 ........................................................................163.1 有限元建模 .............................................................................................................163.1.1 翼型数据转换 ..................................................................................................163.1.2 气动外形有限元建模 ......................................................................................183.1.3 叶片有限元模型 ..............................................................................................213.1.4 有限元模型的验证 ..........................................................................................233.2 风力机叶片振动特性分析理论 .............................................................................243.2.1 零转速自由振动的振动方程 ..........................................................................243.2.2 考虑应力刚化的振动方程 ................................................................................243.2.3 考虑旋转软化的振动方程 ................................................................................243.2.4 同时考虑应力刚化和旋转软化的振动方程 ....................................................253.3 模态计算结果及分析 ...............................................................................................253.3.1 叶片模态分析 ....................................................................................................253.3.2 叶片坎贝尔图 ..................................................................................................293.4 本章小结 .................................................................................................................30第 4 章 叶片静强度计算及结构稳定性研究 ..................................................................31硕士学位论文IV4.1 载荷处理 .................................................................................................................314.2 静力分析 .................................................................................................................334.3 强度分析 .................................................................................................................354.3.1 几种常用的强度准则 ......................................................................................354.3.2 材料强度校核 ..................................................................................................384.4 稳定性分析 .............................................................................................................414.4.1 有限元稳定性分析数学模型 ..........................................................................414.4.2 叶片稳定性分析结果与讨论 ..........................................................................424.5 本章小节 .................................................................................................................46第 5 章 风力机叶片疲劳寿命估算 ..................................................................................475.1 疲劳损伤理论简介 .................................................................................................475.2 叶片疲劳寿命计算 .................................................................................................495.2.1 等效疲劳载荷的获取 ......................................................................................495.2.2 叶片材料 S-N 曲线 .......................................................................................505.2.3 寿命估算及结果分析 ......................................................................................545.3 本章小结 .................................................................................................................55第 6 章 总结与展望 ..........................................................................................................566.1 总结 .........................................................................................................................566.2 展望 .........................................................................................................................56参考文献 ..............................................................................................................................57致 谢 ..............................................................................................................................60攻读硕士学位期间已发表论文及参与项目情况 ..............................................................61第 1 章 绪论1.1 选题背景与研究意义随着社会的高速发展、科学技术的不断提高、资源和环境问题的日益严重,能源需求量的逐年持续增加,能源问题已逐渐成为当今社会所需要关注的重点。地球上的常规能源已经被消耗的濒临匮乏,而如今社会中使用最为频繁的化石燃料能源又是非常有限且不可再生,并在其开采和利用过程中都将对环境和生态系统产生严重的破坏,所以对于核能、太阳能、风能和地热能等新能源的开发利用已成为当今世界各国关注的热点问题 [1-3]。风力资源拥有无污染可再生,且其分布广储量大等优点,在全球各国得到高速发展。从太阳到达地球的全部能源中大约有 2转化为风能,其中可用的风能占 70,总量不容忽视,据估计全球每年风能的可用总量高达 53000TWh,远远超过水能的可用总量,甚至相当于水能总量的 10 倍之多 [4-6]。此外,风能相对于其他各种新能源,在其相关研究与技术开发方面更为成熟可靠,可开发性高且更容易带来经济效益。当然,风能资源也存在一些不足,如可用风能区域分散、同一区域风稳定性差、不同地区风载差异大等,但这完全不能影响其发展。风能资源快速发展的势头已不可阻挡,如今风电产业已然成为了一个正在快速增长的新兴产业。风能很早就已经被利用,其历史甚至可以追溯到两千年前,在蒸汽机还未出现之前就曾作为过人们生活中的主要能源 [7-9]。尽管如此,风能在这漫长的岁月里也没有得到很好的发展。 直到 20 世纪 70 年代的世界性能源危机的出现才带动了风电行业的真正发展。当时美国、西欧等发达国家为了找寻新能源来代替传统能源以缓解能源危机所带来的压力,政府部门加大资金方面的投入,极力推动开发高新技术,鼓励开展风电产业,推进了现代风力发电机组的研制出现 [10-12]。图 1.1 2011-2014 全球风电总装容量 /MW图 1.1 示为 2011-2014 年段全球 。截止 2014 年 12 月,全球风电总装容量风 电 总 装 容 量已经达到了 370,000MW,其中 2014 年上半年就增加了 17,839MW。与此同时,全球风电总硕士学位论文1装容量增长了 5.6,相比 2013 年,年增长量已达到了 16.2。中、美、德、西班牙和印度是现在全球风电总装容量最多国家中的前五名,这五国总和占全球总量的 72。如下表 1-1表 1-1 2014 年全球风电总装容量前十名国家(源自 WWEA)排名 国家2014 总装容量[MW]2014 总装年增长量[MW]2014 总装年增长率[]1 中国 114,763 23,350 25.72 美国 65,879 4,854 7.83 德国 40,468 5,808 16.84 西班牙 22,987 27.5 0.15 印度 22,465 2,315.1 11.56 英国 11,998 1,467 13.97 加拿大 9,694 1,871 25.98 法国 9,296 1,042 12.69 意大利 8,663 107.5 1.310 巴西 6,182 2,783 81.9风电行业如今发展依旧迅猛,还有很大的发展空间,在近几年内将会得到更大规模的开发和利用。中国风电市场经过这二十来年的开发,已然从质上得到提高,如今已开始慢慢进入到平稳发展阶段。到 2014 年底,我国风机总装累计容量已高达 114,763 GW,风电市场持续处于世界的领军地位。风力机顾名思义就是一种以自然风为动力来进行发电的特殊机械。面对我国丰富的风力资源,风力机的广泛运用已经成为我国现在与未来的发展趋势。叶片成本高,是整个风力机的20 ~30,也是其核心部位。而叶片的几何线型、空气动力特性等又将直接对风力机的发电总量产生效果,因此叶片设计分析在风力机设计分析中占着置关重要的位置。我国风能资源尤为丰富位列世界前茅且分布地域广阔。但非常不如人意的是作为一个风电大国,在风力机特别是大型风力机的研究开发能力上还不够成熟,在设计制造方面也落后于其它一些国家,主要表现在结构设计方面的实用方法和设计理论上。并且在与此相关的一些基础研究、实验研究以及新技术的运用等方面,与国外还存在着较大差距。因此,我国风电行业当前最为重要的任务就是要从整体上加强和提高相关的开发研讨水平。风力机可以看成是一研究涉及面广、融合了多领域多学科的复杂综合工程,要使其能够无失效、稳定安全地运行于 20 年内的设计寿命周期内,就需要运用多种方法、多种路径对其重要的零部件进行分析研究,以能够预防或者限制各种故障的出现,还能减少所需成本并增长效率。结构的合理性、材料的先进性及组成工艺的精湛性是评价叶片优良与否的依据。结构、材料、工艺的好坏决定了叶片能否在承受各种时变载荷作用时,长期维持稳定安全无硕士学位论文2失效。此外,叶片还需尽量满足轻质量、低成本和易制造等,以便增加风能利用率,提高经济效益。本文研究意义随着风力机的持续发展,技术飞速提高,其结构性能等方面的要求愈来愈高。对于大型风力机而言,其制造成本和其安全性一直是限制其发展的主要因素。如何在保证其气动性能和结构性能的前提下,维持其安全性,并且降低成本是现在风力机研究中应首要考虑的问题。本文从结构方面入手,从叶片的振动变形,材料强度校核,屈曲情况,以及疲劳寿命等方面对叶片进行探索,以组建一套完整结构分析方案为踏板,为以后的叶片优化改善工作提供有力的依据支撑。1.2 国内外研究现状分析1.2.1 叶片结构研究现状叶片是风力机中的一个决定性部件,其相关研究能力是整机研究能力的绝对核心 [13-14]。叶片的结构设计涉及非常广,是多种学科的综合体,开展起来比较繁琐。因此,以深厚的相应理论技术作为依据、以长期实践所得的经验作为参考和以天马行空的创新思路为驱动力是叶片的发展进步的前提 [15]。从总体上来说,叶片的设计主要是由气动和结构设计两个关键工作构成,两者之间即独立又关联 [16]。强度、刚度、稳定性和质量是叶片结构设计中至关重要的四个要求 [17],其中强度、刚度和质量与材料的特性有关,刚度和稳定性又受叶片结构形式影响,质量与叶片结构有关,强度还与设计载荷相关,对于设计载荷而言特别需要重点考虑其中的极端载荷及等效疲劳载荷。四个要求之间存在着某种联系而又相互制约,这样在结构设计中就需要对它们进行平衡,以寻找出各个要求都能相对较优的平衡点,这是一个需要大量的时间与大量的精力的过程,需要进行不断的优化才能达到这个效果。下面将从叶片的材料、结构形式、载荷三个点的研究现状进行阐述(1)叶片的材料材料的选择对于叶片设计而言至关重要。随着世界风力机组逐步向大型化迈进,对叶片质量的要求越来越高,对材料的强度和刚度的要求也逐渐提升,变得愈来愈严格。为了在既能够减少叶片质量的前提下又能使得叶片的强度和刚度满足要求,各种各样的具有高性能的各向异性材料被研发应用。叶片用材料也渡过了从差到好,从简单到复杂的发展过程,现在已经进展到了复合材料阶段 [16]。现在,玻璃纤维材料Glass Fiber Reinforced Plastic,简称GFRP已作为主体材料广泛的运用到风力机中。随着叶片研究的愈发成熟,全玻璃钢叶片已然不能适应叶片的现阶段前进的需求,这就需要寻求一种更胜一筹的材料来接替 GFRP。有关的研究也持续在各国如火如荼中进行如欧文斯科宁 [18]研制出了新品种 Wind Strand 增强性玻纤,将其应用到叶片制造中不仅可以使得叶片强刚度提高、抗疲劳性能增强、质量减轻,同时还不增加成本。凯斯西储大学的研究人员 [19]研制了一种新材料原型叶片,值得一说的是该叶片中材料主要是利用增强型聚氨酯和硕士学位论文3碳纳米管,并通过测试发现叶片质量得到了很大的降低,强度与耐久性等性能都增加了 8 倍,韧性也大约是常用复合材料的 8 倍。此外,碳纤维材料Carbon Fiber Reinforced Plastic,简称CFRP也逐渐崭露头角。与 GFRP 相比,CFRP 具有更高模量,更轻质量,但因为其成本价位高,致使 CFRP 不能大量应用于叶片上 ,目前只是在叶片中非常少的位置得以使用。例如,Vestas[20]只是将碳纤维应用到 3MW V90 型风力机叶片的主梁上,这就让叶片重量降到与2MW V80 型叶片一样只有 6 吨。持续到现在,关于如何更好运用碳纤维的研究工作己经慢慢的启动,碳纤维未来置于叶片中的大规模运用必将成为现实。目前,国内对大型叶片材料的有关研发工作也处于持续高温中。2013 年,国家资助的“MW 级风轮叶片原材料国产化” 重点项目已完成技术验收,该项目开发了多种原材料技术,对我国叶片关键材料国产化、叶片成本的降低及风电的发展都起到了重要的推动作用。(2)叶片的结构形式回顾历史,叶片结构形式自最开始的实心结构进展到现在空心结构,形状也从直变成现在常用的弯叶片。当然,现在还有许多 10m 以下的小型叶片依旧应用实心结构,但其中大部分也改为用玻璃钢作为壳体再在利用轻质材料进行填充。如今中型和大型风机叶片已成使用的主流,基本上都是应用空心的壳-梁结构,这样就能够在保证叶片质量的最大限度上来减少材料使用量。其主要构成有腹板见图 1.2 中 Shear Web、主梁见图 1.2 中 Spar、腹板见图 1.2 中 Shear Web、叶根见图 1.2 中 Root以及壳见图 1.2 中 Shell等 [21]。主梁的材料通常采用两高(高强度、高模量)纤维布,用以承受叶片的大部分外载所产生的力。壳体材料通常使用三纤维布,以能够保证维持叶片的气动外形并承受少量的载荷力。图 1.2 叶片结构示意图如今所用的梁-壳叶片从其梁的形状上主要可分为箱型梁、双“C”型梁、双“I” 型梁以及“O”型梁等,见图 1.3。另外,还可以依照叶片中梁的位置区别对前面的类型进行更细的分类。

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