發(fā)布時間：2020-11-20 11:52

　　 隨著風(fēng)力機(jī)功率的不斷增加,其葉片尺寸也愈來愈大,若設(shè)計(jì)不當(dāng)則會發(fā)生嚴(yán)重的安全事故,如何保證風(fēng)力機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行成為了設(shè)計(jì)人員需要考慮的最重要的因素之一。從風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行環(huán)境來看,葉片長期處于風(fēng)沙大、受壓強(qiáng)的高空中,除需要一種耐侵蝕、強(qiáng)度高、重量輕的材料作為葉片的主要制作材料外,合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對其也是不可或缺的。對于復(fù)合材料葉片的設(shè)計(jì),理論支撐、模擬計(jì)算、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證缺一不可,方可保證葉片的安全性和可靠性。葉片在運(yùn)行中受到拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)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(jìn)行彎曲方面的研究。以8MW風(fēng)力機(jī)葉片為對象,以葉素動量理論為基礎(chǔ),使用NH02系列翼型進(jìn)行初步氣動外形設(shè)計(jì),并將設(shè)計(jì)所得參數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際空間坐標(biāo),利用Auto CAD以及UG軟件進(jìn)行葉片三維實(shí)體建模。根據(jù)層合板理論對玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行彎曲試驗(yàn),經(jīng)分析得知玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基層合板的抗彎強(qiáng)度主要由0°鋪層提供,適當(dāng)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(shí)體模型為基礎(chǔ)進(jìn)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(jìn)行鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確定其構(gòu)型和尺寸,在所制作的模具上鋪設(shè)并最終得到葉片模型。通過對葉片模型進(jìn)行靜載試驗(yàn)獲得葉尖位移及梁帽部位應(yīng)變數(shù)據(jù),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(xiàn)出的性能要優(yōu)于±45°玻璃纖維腹板鋪層中摻入0°鋪層。結(jié)合葉片結(jié)構(gòu)有限元分析,對比實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算之間的異同,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)論的可靠性,并分析得到了兩者產(chǎn)生差別的人為原因和系統(tǒng)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(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,為使研究更方便提出進(jìn)行模型試驗(yàn)的方法,一定程度上能夠反映葉片的結(jié)構(gòu)性能,對實(shí)際葉片的安全運(yùn)行具有工程參考價(jià)值。在有限元分析中通過分載荷步加載的方式來實(shí)現(xiàn)模擬與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,使得模擬計(jì)算盡可能地貼近實(shí)驗(yàn)中的加載過程,為以后實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的對比分析提供了一種新的可能性。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(fēng)力機(jī)葉片研究現(xiàn)狀
        1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
        1.2.2 國外研究現(xiàn)狀
    1.3 課題的來源和研究內(nèi)容
    1.4 創(chuàng)新點(diǎn)
    1.5 本章結(jié)論
第2章 葉片氣動外形設(shè)計(jì)研究
    2.1 葉片氣動設(shè)計(jì)理論
        2.1.1 經(jīng)典葉素理論
        2.1.2 動量葉素理論
        2.1.3 普朗特?fù)p失因子
        2.1.4 葛勞渥特?fù)p失因子
    2.2 大型風(fēng)力機(jī)葉片氣動外形設(shè)計(jì)
        2.2.1 翼型選擇
        2.2.2 XFOIL及Profili的介紹和應(yīng)用
        2.2.3 葉片主要設(shè)計(jì)參數(shù)
        2.2.4 葉片尺寸縮比
        2.2.5 UG中葉片的建模
    2.3 本章結(jié)論
第3章 層合板理論及實(shí)驗(yàn)研究
    3.1 復(fù)合材料
        3.1.1 復(fù)合材料的分類和特性
        3.1.2 碳纖維在葉片中的應(yīng)用
    3.2 經(jīng)典層合板理論
    3.3 層合板實(shí)驗(yàn)研究
        3.3.1 板材試件制作
        3.3.2 試驗(yàn)測試方法
        3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析
    3.4 本章結(jié)論
第4章 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜載試驗(yàn)
    4.1 工字梁理論
    4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
        4.2.1 梁帽設(shè)計(jì)
        4.2.2 腹板設(shè)計(jì)
        4.2.3 蒙皮設(shè)計(jì)
    4.3 模型葉片制作
        4.3.1 模具制作
        4.3.2 葉片鋪設(shè)
    4.4 靜載試驗(yàn)
        4.4.1 試驗(yàn)儀器
        4.4.2 應(yīng)變片的粘貼和防護(hù)
        4.4.3 電阻應(yīng)變片及其工作原理
        4.4.4 靜態(tài)電阻應(yīng)變儀
        4.4.5 試驗(yàn)測量過程
        4.4.6 試驗(yàn)結(jié)果分析
    4.5 本章結(jié)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(fēng)力機(jī)中的應(yīng)用
    5.2 葉片在流場中的載荷計(jì)算
        5.2.1 模型創(chuàng)建
        5.2.2 流場網(wǎng)格劃分
        5.2.3 設(shè)置邊界條件
        5.2.4 計(jì)算及數(shù)據(jù)導(dǎo)出
    5.3 基于MechanicalAPDL的鋪層結(jié)構(gòu)分析
        5.3.1 單元類型
        5.3.2 材料參數(shù)
        5.3.3 葉片網(wǎng)格劃分
        5.3.4 加載計(jì)算
        5.3.5 結(jié)果分析
    5.4 模擬、實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果對比
    5.5 本章結(jié)論
第6章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
附錄A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄

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