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风力机叶片铺层结构的强度特性研究及设计优化

作　者: 谢少军
导　师: 潘柏松；梁利华
学　校: 浙江工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 复合材料风机叶片铺层强度铺层纤维方向结构优化
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

叶片作为风力发电机的捕风部件,其重要性是不言而喻的。研究如何保证叶片的结构可靠性,提高气动效率,同时又尽量减少叶片的成本,显然具有十分现实的工程价值和学术意义。目前,国内外研究主要是将铺层结构强度作为评定叶片结构可靠性的一个指标,而没有深入研究风载荷作用下叶片铺层结构的应力场分布特性及其对叶片不同结构区域强度的影响。研究表明,基于欧拉伯努利梁理论初步铺层设计方法获得的铺层结构在叶根严重不满足实际强度的要求。正是基于此,本文研究了叶片复合材料铺层结构的强度特性,不同铺层纤维角度对铺层结构强度的影响,最后基于试验设计法,实现了铺层结构优化设计,从而为铺层结构优化设计方法研究提供基础,其主要研究内容和结论如下:(1)基于复合材料有限法和Tsai-Wu强度失效准则,开展了叶片有限元几何建模方法的研究,研究了铺层结构定义和复合材料Tsai-Wu强度失效准则在有限元方法中的实现。(2)设计了包含多种纤维角度的铺层方案,研究了各种铺层方案下在多个截面节点处沿铺层厚度分布的Tsai-Wu强度指标分布规律,进一步研究了铺层纤维角度对叶片三个不同结构特征区域强度的影响。结果表明,铺层纤维角度对叶片各个区域的强度的影响具有明显的差异性,铺层纤维角度的优化设计应考虑叶片不同结构特征区域。(3)进行了多种风速下叶片结构的静态应力响应分析,重点研究了叶根截面节点处沿铺层厚度分布的应力和位移分布规律,结合复合材料Tsai-Wu失效准则,研究了叶根铺层强度特性,详细剖析了基于欧拉伯努利梁理论进行铺层初步设计在叶根不适用的原因。分析表明,叶根不满足平面假设,面内其它应力分量(面内横向正应力和切应力)是影响叶根强度的主要因素,铺层结构设计方法必须考虑面内其它应力分量。(4)针对基于欧拉伯努利梁理论初步铺层设计方法获得的叶根强度严重不满足的叶片,基于试验设计法,设计了多种铺层方案,以Tsai-Wu强度指标值为评定指标,对该叶片进行了多次有限元模拟试验,以铺层数量最少为设计目标,实现了叶片铺层结构优化设计。同时,基于极差分析法,探讨了0°铺层和±45°铺层对叶片结构强度的影响,结果表明0°和±45°两类铺层对叶片结构强度的影响存在耦合作用;±45°铺层对叶片结构强度影响较大。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 风力机叶片的概述  10-11
  1.2 叶片复合材料的研究现状  11-12
  1.3 叶片结构设计的研究现状  12-17
    1.3.1 叶片的结构优化设计  12-14
    1.3.2 叶片结构的气弹稳定性研究现状  14-15
    1.3.3 叶片结构的数值研究现状  15-16
    1.3.4 叶片结构强度研究现状  16-17
    1.3.5 叶片结构强度失效准则研究现状  17
  1.4 研究内容  17-19
第2章叶片铺层结构的设计理论基础  19-32
  2.1 复合材料力学的分析理论  19-25
    2.1.1 线弹性体本构关系  20-21
    2.1.2 材料对称面数学模型  21-22
    2.1.3 正交各向异性材料本构关系  22-25
  2.2 欧拉伯努利梁理论  25-29
    2.2.1 非对称截面弯曲理论  25-28
    2.2.2 叶片翼型截面弯曲理论  28-29
  2.3 复合材料Tsai-Wu 强度失效准则  29-31
    2.3.1 非耦合项参数关系式  29-30
    2.3.2 耦合项参数关系式  30-31
  2.4 小结  31-32
第3章叶片结构的有限元建模方法  32-41
  3.1 叶片结构的几何建模方法  32-38
  3.2 铺层结构定义法  38
  3.3 Tsai-Wu 强度准则定义法  38-40
  3.4 小结  40-41
第4章铺层纤维角度对铺层强度的影响分析  41-50
  4.1 叶片分析模型的定义  41-43
  4.2 铺层纤维角度对不同结构特征区域强度的影响  43-45
    4.2.1 铺层纤维角度对叶根强度的影响  43
    4.2.2 铺层纤维角度对翼型过渡区域强度的影响  43-44
    4.2.3 铺层纤维角度对翼型区域强度的影响  44-45
  4.3 铺层纤维角度对截面2 强度的影响  45-49
  4.4 小结  49-50
第5章叶根铺层结构的强度特性研究  50-62
  5.1 叶片有限元模型  51-54
  5.2 强度指标值沿叶根铺层厚度的分布特性  54-55
  5.3 面内应力对叶根铺层强度的影响  55-61
    5.3.1 弯曲正应力对叶根铺层强度的影响  55-58
    5.3.2 面内其它方向应力对叶根铺层强度的影响  58-59
    5.3.3 面内切应力对叶根铺层强度的影响  59
    5.3.4 横向正应力对叶根铺层强度的影响  59-61
    5.3.5 耦合应力对叶根铺层强度的影响  61
  5.4 小结  61-62
第6章基于试验设计法的铺层设计优化  62-70
  6.1 试验设计法  62-63
    6.1.1 试验设计与分析基础  62
    6.1.2 正交试验设计方法  62-63
    6.1.3 极差分析  63
  6.2 基于正交试验法的叶片铺层优化  63-69
    6.2.1 优化目的  63-64
    6.2.2 叶片有限元模型  64
    6.2.4 优化结果与分析  64-69
  6.3 小结  69-70
第7章结论和展望  70-72
  7.1 结论  70
  7.2 展望  70-72
参考文献  72-76
致谢  76-77
攻读学位期间参加的科研项目和成果  77

风力机叶片铺层结构的强度特性研究及设计优化

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