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。     

E-玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料拉伸与模态特性分析

对小型风力机叶片铺层结构所用的E-玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料进行拉伸试验与试验模态分析,对比分析不同种类纤维的拉伸强度、破坏形态与弹性模量等抗拉性能与模态特性,得出以下结论:根据拉伸强度、破坏形态与弹性模量得出单轴向0°层合板的抗拉性能更好;随着层数增加,单轴向0°纤维布对挥舞固有频率的影响最大,双轴向±45°纤维布对扭转固有频率的影响最大;层数与铺设角度对一阶挥舞、扭转振型影响较小;小型风力机风轮的转速较高,可铺设更多的单轴向0°纤维布,以改变其模态特性;为初步探究单层、多层板模态参数间的关联性,分析得出铺层顺序的变化对层合板固有频率的影响最大值为1.45 Hz,并为E-玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料钢叶片的生产与研究提供基础理论依据。     

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。     

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。     

对比分析不同材料及铺层对叶片力学性能的影响

基于有限元法,利用ANSYS中复合材料模块模拟叶片铺层,并通过CFD软件模拟流场对叶片施加载荷,对叶片进行结构静力学分析和模态分析;对比不同材料及铺层方式对叶片结构的影响,分析造成这种影响的原因。结果表明:不同材料对叶片的力学性能影响巨大,而采用铺层方法能使叶片满足强度和刚度要求,同时减轻质量并且改善共振引起的振动,±45°双铺层能有效分散叶根梁帽处应力。     

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。     

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。     

气动载荷对风力机叶片动态结构特性影响分析

建立复合材料风力机叶片铺层模型,针对叶片结构进行动态特性分析,主要通过模态分析研究了气动载荷对叶片固有频率的影响。借助ANSYS(有限元分析软件)复合材料模块,根据叶片几何和铺层参数实现叶片建模,并通过实验值验证了有限元模型的准确性。基于叶素-动量理论计算获得叶片极限气动载荷,以极限载荷的20%为载荷步,分析了叶片结构特性受载荷影响的变化趋势。结果表明:叶片所受载荷增加会导致叶片各阶固有频率下降,同时其摆振振型对应的固有频率受载荷影响较大;气动载荷会削弱叶片各微元段向平衡位置恢复的能力,导致叶片截面刚度下降,进而引起叶片固有频率降低。     

考虑弯扭变形的风力机叶片结构优化

根据叶片几何形状建立叶片载荷等效模型,利用该载荷等效模型将叶素动量理论计算所得载荷等效成分布载荷的形式,同时建立叶片参数化有限元模型,将等效得到的分布载荷施加到叶片参数化有限元模型表面,并分析叶片腹板方位和铺层铺设角度对叶片变形的影响。然后结合粒子群算法与参数化有限元模型建立数学优化模型,以扭转变形为约束条件之一以限制叶片扭转发散。对某850 kW纤维增强型复合材料风力机叶片进行优化设计,优化其铺层厚度、腹板方位和铺层铺设角度。优化结果表明,在保持叶片叶尖挥舞变形和叶尖扭转变形不变的前提下,叶片质量减轻6.304%。     

基于ANSYS的10 MW风力机叶片弯扭耦合特性研究

为分析弯扭耦合效应对大型风力机叶片气动性能的影响。文中使用三维有限元软件ANSYS建立了10 MW复合材料风力机叶片模型,通过改变梁帽位置单轴向布的铺层角度在叶片中引入弯扭耦合效应,改变铺层角度和耦合区域,分析叶片在气动载荷作用下的变形情况。结果表明:叶片在弯扭耦合作用下产生弯曲变形的同时会发生扭转变形,沿叶片展向变形量增加;该叶片可达到的最大扭转变形量为6度;弯扭耦合系数随着铺层角度的增大而减小。     

风力机预弯叶片结构与静气弹性参数化有限元分析方法研究

构建了风力机预弯叶片气动外形和铺层结构的参数化表达模型,采用MATLAB与ANSYS APDL相结合的方法对复合材料预弯叶片进行参数化有限元建模、加载和结构分析,并以某1.5 MW预弯叶片为例验证了该方法的正确性;基于修正的叶素动量理论和气动载荷参数化分布加载方法,对风力机预弯叶片的静气弹性进行分析和研究,结果表明预弯叶片的展向变形有助于叶片气动功率的提高,而叶片扭转变形造成风力机实际气动功率的降低,根据叶片的计算扭转变形,在叶片的设计中增大叶片的预扭转角度可避免叶片因弹性扭转变形造成的设计功率偏离。研制了风力机叶片结构性能和静气弹性分析工具(WTBSA),为预弯叶片的多学科优化设计奠定了基础。     

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。     

基于响应面法的仿生风力机叶片可靠性分析

根据风力机的基本理论和相似理论在有限元软件ANSYS中建立了一个翼型为SG6050,半径为1m的小型风力机叶片模型,运用结构仿生学原理,对所设计的风力机叶片进行铺层,其角度范围介于5°～90°之间,为体现中轴的对称性,正负铺层同时出现。利用基于响应面法的可靠性理论,比较了不同铺层方式下风力机叶片的可靠性。计算结果表明:可靠指标较高的角度集中在40°～70°之间,而以65°铺层可靠指标最大,即其失效概率最小,而在5°与90°附近的铺层其可靠指标相对较小。     

水平轴风力机叶片的截面与动力特性分析

风力机叶片在旋转过程中受重力和离心力作用,产生动力刚化导致固有频率增加。文章以NRELPhase VI风力机叶片为对象,在其内部分别添加圆形腹板、单腹板和双腹板,建立3种不同截面的叶片三维模型,并结合复合材料对叶片铺层进行动力学分析。结果表明,叶片采用的铺层方案能有效避免共振,并且3种叶片模型的重量均接近叶片的真实值。在额定转速下,3种腹板叶片的一阶频率增量随腹板的厚度增加而增加,但在两倍额定转速时,单腹板和圆形腹板的一阶频率增量随腹板厚度增加而减少;同时,腹板中的双轴向玻璃布材料以±45°铺设时,一阶固有频率最大,而由动力刚化引起的一阶频率增量较其他角度小。     

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.     

折叠式H型垂直轴风力机设计与分析

轻便的风力机可以在野外环境下满足人们活动和生存的电源需求。文章针对便携可折叠需求,提出了一种便携折叠式H型垂直轴风力机。对风力机风轮参数和折叠机构进行了设计,采用双致动盘多流管模型对比分析了采用不同翼型的叶片气动性能,确定较优翼型。运用双致动盘多流管模型算法计算叶片的极限载荷,求解采用不同材料时叶片的重量,寻求适合便携式风力机叶片的材料。对极限载荷作用下的折叠机构连接杆进行静力学分析,保证风力机结构的设计安全性。静力学分析结果表明:采用NACA0018翼型的叶片气动性能更优;材料选择PEEK ST45CA30时,叶片重量最轻;在极限载荷作用下,设计的折叠机构连接杆满足安全要求。     

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。     

基于SMA的大型风力机叶片振动被动控制研究

将SMA粘贴在大型风力机叶片的表面形成新的智能叶片结构,并探讨伪弹性SMA对叶片的振动抑制效果。采用SolidWorks与Excel软件相结合的方法建立风力机叶片三维壳体模型,基于ANSYS ACP模块对含SMA的复合材料叶片进行铺层设计,并验证该模型;考虑叶片的弯扭耦合效应及重力影响,基于有限元理论建立含SMA的运动学方程,采用模态叠加法求解其静态响应、谐响应及随机振动。分析结果表明：由于SMA的存在,不同静态载荷作用下,SMA的应力-应变之间均形成封闭的滞后环;将叶片的固有频率移向更高的频率,各阶模态对应的振幅明显降低。在振动能量带宽0.5~2.4 Hz的范围内,含有SMA层强化的风力机叶片振动能量响应值降低更为显著。     

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.     

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。