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复合材料风力叶片结构的有限元分析

作　者: 费金凡
导　师: 李卓球
学　校: 武汉理工大学
专　业: 固体力学
关键词: 风力机叶片 气动设计 结构设计 实体建模 有限元模型 曲线拟合 有限元分析
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 424次
引　用: 6次
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内容摘要


复合材料风力机叶片结构设计与分析方法的研究一直是社会各界研究的热点之一,对推进绿色资源的有效利用具有非常重要的意义。本文所做工作如下:1)了解了风力叶片气动设计基本原理,重点了解了叶片基本理论、叶片基本概念以及叶片气动参数计算公式等。2)对叶片进行了结构研究与分析,具体分析了叶片的结构形式、叶片所受载荷形式、载荷工况设计以及叶片材料铺层设计等内容。3)以总长25m的风力叶片为例,采用机翼设计软件Profili先得到翼型型值点坐标(x,y),后通过坐标转换的方式,利用Matlab计算得到翼型上点的空间坐标值(x′,y′,z),最后在CAD软件Pro/E建立了叶片的实体模型并将实体模型导入有限元分析软件ANSYS中,建立叶片有限元模型。该方法可为扭曲叶片建模提供新思路。4)运用FLUENT软件对叶片表面风压进行了数值模拟,并导出各点的风压值以及与其对应的点的坐标值。采用多项式曲线拟合的方式在Matlab中得到风压与点的坐标之间的函数关系式。最后采用编写命令流的形式将风压加载在叶片有限元模型上,为后续的有限元计算打好基础。5)叶片结构静强度有限元分析。在ANSYS中计算叶片在两种不利工况下的位移、应变以及各结构层强度比。并根据相关标准对叶片的强度和刚度进行了校核,以此检验所设计的叶片是否满足强度设计要求。6)叶片稳定性有限元分析,在ANSYS中计算叶片两种不利工况下的稳定安全系数以及屈曲失稳模态。旨在判断叶片受不利载荷作用时是否会发生失稳以及失稳的形式。7)叶片动力特性有限元分析。建立了叶片自由振动方程,采用有限元分析软件ANSYS计算了叶片在自由振动时的十阶频率,并研究了叶片的十阶振动形式。以上所做的工作,目的是希望寻找一种研究风力叶片结构特性的新方法,为以后的风力机叶片设计与研究提供一种新途径和参考。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第1章 绪论  10-17
  1.1 引言  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-14
  1.3 课题研究意义和研究内容  14-17
    1.3.1 课题研究意义  14-15
    1.3.2 课题研究方法及研究内容  15-17
第2章 风力叶片气动设计的基本理论  17-23
  2.1 概述  17
  2.2 风轮叶片的基本原理  17-19
  2.3 风轮叶片的基本概念及气动参数的确定  19-22
    2.3.1 叶片基本概念  19-20
    2.3.2 叶片气动参数的确定  20-22
  2.4 本章小结  22-23
第3章 风力叶片结构的研究与分析  23-31
  3.1 叶片的结构形式  23-27
    3.1.1 叶片剖面形式  23-25
    3.1.2 叶片根端形式  25-27
  3.2 叶片载荷分析与设计  27-29
    3.2.1 叶片载荷分类  27
    3.2.2 叶片载荷设计  27-29
  3.3 叶片材料铺层设计  29-30
    3.3.1 材料体系  29-30
    3.3.2 铺层设计  30
  3.4 本章小结  30-31
第4章 风力叶片的有限元计算模型  31-45
  4.1 概述  31-32
  4.2 叶片CAD实体建模  32-37
    4.2.1 叶片剖面翼型的选择  33-34
    4.2.2 翼型型值点计算  34-35
    4.2.3 叶片剖面翼型空间坐标计算  35-36
    4.2.4 基于Pro/ENGINEER的叶片实体绘制  36-37
  4.3 基于ANSYS的叶片有限元模型的建立  37-44
    4.3.1 实体模型导入  38
    4.3.2 设置材料参数  38-41
    4.3.3 网格划分  41-42
    4.3.4 算例  42-44
  4.4 本章小结  44-45
第5章 风力机叶片结构的有限元分析  45-70
  5.1 叶片风压载荷计算  45-55
    5.1.1 CFD简介  45-46
    5.1.2 风压载荷计算  46-50
    5.1.3 加载风压  50-55
  5.2 叶片强度有限元分析  55-60
    5.2.1 铺层的强度比定义  55-56
    5.2.2 施加约束和载荷  56-57
    5.2.3 静强度分析结果  57-60
  5.3 叶片稳定性有限元分析  60-65
    5.3.1 有限元基本原理  61
    5.3.2 稳定性分析结果  61-65
  5.4 叶片动力特性有限元分析  65-69
    5.4.1 动力特性方程  65
    5.4.2 固有频率和模态分析结果  65-69
  5.5 本章小结  69-70
第6章 结论与展望  70-72
  6.1 本文结论  70-71
  6.2 研究展望  71-72
参考文献  72-75
致谢  75-76
攻读学位期间发表的论文  76

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