大型风力机叶片模态性能及振动分析

为研究大型风力机叶片铺层参数对叶片动态性能的影响、防止叶片发生共振、减小叶片挠度、改善叶片结构力学性能和提高风力机安全性,建立了5 MW风力机叶片的有限元模型,通过改变铺层材料和铺层角度实现不同的叶片结构,并对成型叶片进行了模态分析;采用CFD方法获得叶片表面载荷,分析不同风速下不同铺层结构叶片振动性能,结果表明:复合材料铺层角度能影响叶片固有频率,叶片低阶振型以挥舞和摆振为主,高阶模态出现扭转;增加0°铺层纤维比例可提高低阶固有频率,45°铺层能提高叶片抗扭能力;叶片振动位移沿叶片展向呈非线性增长,风速越大叶片挠度越大;碳纤维可有效提高叶片固有频率,减小叶片挠度。     

复合材料风力机叶片刚度剪裁结构特性研究

复合材料风力机叶片的性能因铺层参数变化而不同,为了改善铺层方案,探讨了铺层参数对叶片结构性能的影响。基于有限元分析法,采用玻璃钢复合材料建立不同层合板结构,实现叶片材料的刚度剪裁,对1.5 MW风力机叶片铺层,并通过CFD软件模拟流场对叶片施加载荷,对叶片进行结构特性分析。对比不同铺层方式对叶片结构的影响,结果表明:叶片叶根处受到载荷最大,0°铺层纤维抗弯性能最佳;叶片几何突变区域强度主要受面内剪切应力影响,45°纤维具有最佳的抗剪能力;0°纤维起承载作用,±45°纤维起传递载荷的作用,0°和±45°纤维含量分别为90%和10%时,叶片变形量表面应力值最小,叶片整体性能较佳。     

基于气动弹性剪裁的风力机叶片模态分析

本文为研究叶片铺层参数对叶片动态特性的影响,防止叶片产生共振,改善叶片力学特性,建立了1.5 MW风力机叶片的有限元模型,通过改变铺层角度和铺层纤维比例实现多种不同层合板结构的叶片铺层,并对上述各种铺层叶片结构进行了模态分析,获得了各模型的前六阶固有频率和振型,分析了铺层参数影响叶片动态特性的原因。结果表明:复合材料具有显著各向异性,通过改变铺层角度能影响固有频率大小;叶片低阶振型以挥舞和摆振为主,增加0°铺层比例能提高低阶固有频率;叶片高阶模态出现扭转,45°铺层能提高叶片抗扭能力,有利于增加高阶固有频率。     

基于气动弹性剪裁风力机叶片结构稳定性分析

为提升风力机叶片结构稳定性,改善叶片局部屈曲现象,研究铺层参数对叶片结构稳定性的影响。建立1.5 MW风力机叶片的三维模型和铺层结构,并与实验值对比验证模型的质量和固有频率的准确度。借助CFD计算获得叶片表面的分布压力,以此为载荷对不同铺层角度叶片进行稳定性分析。计算结果表明:叶片在额定风速载荷下不会发生屈曲,满足设计要求;叶片后缘区结构设计较薄弱,局部屈曲主要出现在该区域;增加叶片尾缘铺层角度,保持主梁铺层角度不变,能提高叶片整体稳定性。     

铺层材料单层厚度对风力机叶片低阶模态频率的影响分析

针对大型风力机叶片铺层材料单层厚度对叶片模态频率的影响作用,对铺层材料单层厚度间的耦合机制进行研究。采用Box-Behnken法设计实验,建立叶片铺层单层厚度与其第一阶模态频率间的响应面模型,揭示叶片不同铺层材料单层厚度对模态频率的影响规律。以叶片前两阶模态频率为优化目标、以铺层材料单层厚度为设计变量建立优化数学模型,并采用遗传算法与有限元法结合进行全局寻优。以某企业1.5 MW叶片为算例,结果表明,优化后叶片第一阶挥舞、摆振频率均提高了0.07 Hz。     

铺层参数对风力机叶片结构性能的耦合影响分析

依据二阶响应曲面设计原理,构建铺层参数各自不同水平方案。以整体结构性能最优为目标,铺层参数为自变量,叶片强度、刚度为响应变量,采用Design Expert中Box-Behnken试验设计方法进行试验设计,仿真分析叶片静强度和刚度;经多元线性回归分别建立铺层参数与Tsai-wu失效因子、最大位移之间的二阶耦合映射关系,并对数学模型及回归系数进行显著性检验;分析单一铺层参数和两两交互作用对叶片结构性能的影响,获得性能优化的铺层参数取值,验证方法的正确性和有效性。     

兆瓦级水平轴风力机叶片铺层设计参数影响分析

为研究主梁材料及铺层角度对风力机叶片结构特性影响,基于三维建模软件NX二次开发建立风力机叶片几何模型,结合铺层设计并通过CFD方法获取叶片表面压力分布,采用有限元方法对叶片进行结构模态、强度及屈曲分析。结果表明:碳纤维主梁叶片质量较玻璃钢减轻约8.08%,主梁材料对模态振型影响较小,主梁铺层角度对挥舞方向运动影响更大;0°铺层主梁叶片共振破坏风险低且应力应变峰值均最小,碳纤维主梁叶片较玻璃钢应力及应变峰值降幅最大约20.57%、26.51%;主梁0°铺层时叶片屈曲因子最大,而60°铺层时最小,碳纤维主梁叶片较玻璃钢临界屈曲载荷增幅最大约17.84%,有效降低屈曲失稳风险;额定工况下,叶片局部屈曲域在近叶尖处尾缘区和近叶根处最大弦长截面前缘区。     

铺层参数对风力机叶片静态结构性能的影响分析

复合材料风力机叶片的性能因铺层参数的变化而不同,为了优化铺层方案,探讨了铺层参数对风力机叶片静态结构性能的影响。以某1.5 MW风力机叶片距叶根1/3段为对象,建立其有限元模型,计算叶片在极限工况下各截面的载荷;分析该叶片铺层所采用的单、双、三轴向布的基本力学性能,得出可行替代方案。通过对不同铺层角度、铺层顺序和铺层比例的代表性铺层方案进行分析对比,初步得出叶片具有良好性能的铺放参数。在此基础上,优化原有设计方案,结果表明改进后叶片的失效因子和变形明显降低,验证了所得结论的正确性。     

风力机叶片动态性能与仿生特性研究

以750kW水平轴风力机为研究对象,利用ANSYS复合材料单元,建立了风力机叶片数值模型。应用叶片结构振动有限元方法,从植物叶片叶脉动、静态特性出发,研究分析了风力机叶片叶素形状与材料铺层因素对其振动模态的影响,并初步探讨了风力机叶片仿生植物叶片的可行性。结果表明:不同的叶素形状可以改变叶片惯性矩,惯性矩越小,叶片的振动性能越好,与植物叶片振动特性相似;叶片材料的铺层分布对其振动模态的影响存在一定的规律,并与植物叶片叶脉分布规律相对应;两种因素对振动模态的影响效果可以叠加。     

大型风力机叶片的抗冰雹冲击分析

采用非线性显示动力学分析方法开展NH1500叶片前缘的抗冰雹冲击分析。冲击部件采用拉格朗日法描述,冰雹和叶片材料分别选用塑性随动和双线性随动材料模型。分析结果表明该叶片在特强冰雹冲击的情况下不会发生破坏。针对分析中出现的冲击应力较大及冲击应力振荡问题,对前缘铺层进行优化,提出更有效的抗冲击前缘夹芯结构铺层型式,能有效减缓峰值应力并避免冲击应力振荡。     

5 MW风力机叶片模态特性分析

为了研究叶片铺层和主梁形式对大型自适应叶片动态特性的影响,利用Ansys软件建立了5 MW风力机叶片的有限元模型.对不同梁帽铺层角度和主梁形式的叶片进行了模态分析,给出了各模型的前十阶固有频率和振型,分析了叶片梁帽铺层角度、主梁形式和转速对风力机叶片固有频率的影响.结果表明：叶片梁帽铺层角度和叶片主梁形式对固有频率具有重要影响;在叶片的弯扭耦合设计过程中,要考虑设计参数对叶片模态特性的影响,以避免叶片发生振动性能失效.     

大型风力机叶片铺层及模态分析

使用ANSYS软件,自下而上建立风力机叶片的有限元模型,使用单元类型SHELL 99对叶片模型实行铺层。运用有限元方法,对几组铺层方案进行叶片的模态分析,结果显示大型风力机叶片梁帽的铺层对频率及相对位移影响最大,增加梁帽铺层数可更好地提升叶片的结构动力学性能。     

复合纤维风力机叶片结构铺层优化设计研究

从工程角度出发,以某1.5 MW叶片为对象,以结构整体性能最优为目标,运用分级优化的策略,采用理论分析、有限元分析与结构优化相结合的方法,建立数学优化模型、目标函数和约束条件,对铺层角度、铺层厚度及铺层顺序分别进行优化,得到叶片的优化铺层方案。优化前后结构分析结果表明:优化后叶片的最大主应力和应变均明显减弱,结构性能显著增强。可验证优化方案和方法的正确性和有效性。     

三维机织与四轴向复合材料叶片结构性能对比分析

文章应用Pulse16.1结构振动分析系统测试了两种叶片的振型与频率,并与数值模拟结果进行了对比。对比结果说明了叶片有限元模型的准确性及文中的数值计算结果适用于叶片实体。通过CFD仿真和ACP铺层,对相同翼型、相同尺寸且重量相差不超过4%的三维机织与四轴向复合材料叶片在额定工况下的结构特性进行了有限元分析。分别从铺层工艺、应力应变幅值及位移响应等方面对两种叶片进行了对比。结果表明:新型的三维正交机织复合材料叶片铺层工艺简单,树脂更易浸透;应力曲线平滑不会发生应力集中现象,且具有更优越的耐应力性。通过对两种叶片不同方向的位移响应分析,发现三维正交机织复合材料叶片的这种耐应力性源于织物结构中的Z纱捆绑。     

风力机预弯叶片多目标优化设计

在风力机预弯叶片的设计中,叶片弦长扭角分布、铺层结构与弯曲型线之间存在着复杂的耦合设计关系,具有良好性能的叶片不仅要求年发电量高、重量轻,而且要求对主机产生的载荷小。为了使设计叶片在其生命周期内能经受各种复杂的工况,文章提出在组合危险工况下进行叶片的极限设计载荷计算,基于提出的叶片预弯型线设计方法构建了预弯叶片的气动外形和铺层结构一体化优化设计模型,以叶片的年发电量最大、质量最小和对主机的载荷最小为目标,以叶片的气动外形及叶片铺层结构的关键参数为设计变量,在满足材料强度、叶尖最大变形、振动频率的约束条件下,采用多目标粒子群算法(MOPSO)对现有的某1.5 MW风力机叶片进行优化设计。结果表明,优化设计得到的叶片Pareto最优解集可满足主机不同的匹配需要,对最优解集叶片进行分析,挑选得到了综合性能比原1.5 MW风力机叶片均有较大提高的新叶片。     

铺层纤维方向对风力机叶片强度的影响分析

利用复合材料有限元法和Tsai-Wu强度理论,研究铺层纤维方向对叶片3个不同结构区域叶根、翼型过渡区域和翼型区域强度性能的影响。结果表明铺层纤维方向对3个区域的强度性能影响具有明显差异性:0°铺层纤维方向在靠近叶根端部和叶片外区域处具有最优强度性能;45°铺层纤维方向在几何突变附近区域表现出最优强度性能。经分析表明差异性主要是由于不同区域的面内应力分量特性导致的,该结论的正确性由弯曲正应力的理论解和数值解的对比获得验证。同时铺层纤维方向对叶片强度最危险区域——叶根几何突变处的受压和受拉面的强度性能影响同样表现出差异性。     

风力机复合材料叶片内部结构典型铺层及分析

叶片为风力发电装置中最核心、最关键的部件之一,其材料的选择对于叶片设计至关重要.大型风力机叶片普遍采用复合材料.将叶片视为一个变截面悬臂梁,基于经典层合板理论和梁帽式铺层方法,利用美国可再生能源国家实验室(NREL)发布的叶片结构分析软件PreComp和BModes计算叶片截面刚度、固有频率以及极限载荷作用下的变形.将计算值和ANSYS软件的分析结果进行比较,结果表明梁帽式铺层方法合理可行,且不影响叶片性能,在实际工程应用中有较大的使用价值.     

基于遗传算法的风力机叶片结构铺层厚度优化

从工程角度出发,提出结合有限元法和遗传算法的优化方法,以解决复杂、多变量风力机叶片结构性能最值优化问题。根据复合材料层合板力学特性,推导单层铺层厚度与层合板主应力之间的数学关系,设计改进遗传算法,给出优化流程。以某1.5 MW叶片为对象,最大主应力为优化目标函数,对其进行铺层厚度优化,得到各轴向布在叶片不同部位的优化铺层厚度范围。结果表明:优化后叶片的最大主应力和应变均明显降低,结构性能显著提高,验证了优化方案和方法的正确性和有效性。     

潮流能水轮机复合材料叶片结构力学性能分析及选型

叶片是潮流能水轮发电机的主要承载构件,直接影响着整机的性能和寿命。文章针对100 k W水平轴潮流能水轮发电机复合材料叶片,结合叶片受力特点,提出了腹板式和箱梁式两种全复合材料叶片结构,并应用有限元软件ANSYS建立了含有复合材料铺层信息的三维模型,分析了叶片的强度、叶尖挠度及材料失效性。通过对两种叶片结构对比分析表明,箱型梁式叶片的结构形式更为合理,叶片自重可减少21%。文章的研究成果可为今后同类叶片的设计提供参考。     

潮流能水轮机复合材料叶片优化设计

叶片是潮流能水轮机组的主要获能部件,设计良好、质量小、稳定性佳的叶片对潮流能水轮机组的正常运行起着重要作用。为了解决100 kW潮流能水轮机复合材料叶片的材料利用率较低、叶片自重较大的问题,对复合材料叶片的内部结构进行优化设计,并利用有限元软件ANSYS建立叶片的三维模型,在考虑不同铺层方案的情况下,对叶片的蒙皮、主梁和腹板的厚度进行优化。优化结果表明,优化后叶片的质量降低了13.97%。考虑到叶片容易失稳的特点,对优化后的叶片进行屈曲敏感性分析,分析发现,蒙皮厚度和主梁厚度对叶片稳定性的影响最大。