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.     

考虑翘曲效应的风力机叶片弯扭耦合特性计算方法

为了研究截面翘曲对大型风力机叶片弯扭耦合特性的影响,分别建立考虑翘曲效应和不考虑翘曲效应的梁模型,并对叶根截面、翼型截面特性进行了计算,表明考虑翘曲效应的梁模型在计算叶片截面刚度时得到的结果更准确。采用考虑翘曲效应的方法计算了5 MW风力机叶片的截面刚度,分析了叶片梁帽铺层角度对风力机叶片弯扭耦合特性的影响。结果表明,无论是否考虑翘曲效应,获得最大弯扭耦合特性的梁帽铺层角度都为20°;在同样的梁帽铺层角度下,翘曲效应对叶片不同部位(特别是在翼型过渡区域及气动翼型区域)的弯扭耦合系数影响很大。     

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。     

基于FOCUS的大型风力机叶片结构分析与铺层改进

采用FOCUS软件建立3 MW风力机主副梁结构的叶片模型,分析了叶片的极限强度与疲劳强度,获得了危险截面位置,探讨了叶片主副梁帽的厚度与宽度等参数变化对挥舞刚度及摆振刚度的影响程度,以此为依据改进了主副梁帽的铺层方案,校核了改进后的叶片质量、极限强度和疲劳强度.结果表明,改进后的叶片质量符合要求,强度得到了较大提高.     

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。     

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。     

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...     

10 MW风力机复合材料叶片结构设计研究

以DTU 10 MW风力机叶片为研究对象,基于NX参数化建模的二次开发,快速建立风力机叶片三维壳体模型,并对其进行复合材料铺层设计。进一步采用计算流体力学方法获取叶片表面气动载荷,对其进行静力学、谐响应及稳定性分析,预测其发生屈曲的可能性及位置。结果表明:叶片在极限风速下有足够安全性,其最大应力位于主腹板附近,最大应变位于主梁中部;叶片发生共振时,挥舞方向有较大幅度波动,摆振方向及叶片展向仅有小幅波动,初次共振对叶片影响最大;叶片在额定风速下未发生整体屈曲现象,仅在叶片背风面副梁帽处出现局部屈曲,增加该区域铺层材料厚度可改善此类现象。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

基于几何精确梁的风力机叶片动力学建模及动态特性分析

基于几何精确梁理论,结合广义-α时间预测法的迭代算法,考虑叶片复合铺层材料的各向异性特性,建立了大型风力机叶片的几何非线性动力学模型并导出了相应的特征方程,编制了数值仿真程序。通过对几何非线性梁标准算例和某10 MW柔性风力机叶片动力特性的模拟分析,验证了动力学模型的正确性,以及几何精确梁模型对分析叶片几何非线性大变形及其所导致的非线性动力学效应的有效性。叶片在静止和转动工况下的模态分析结果表明,在动力刚化效应作用下,叶片的固有频率会随着转速的增加而增大,动力刚化效应在挥舞方向比在摆振方向更明显,在低阶模态比在高阶模态更明显。     

气动弹性影响下复合材料风力机叶片结构设计

针对内部结构复杂的复合材料风力机叶片,基于等代设计法,对某3 MW叶片进行复合材料初始铺层设计,建立完整的有限元参数化模型。基于修正的叶素动量理论和有限元法,提出一种全新的风力机叶片气动弹性耦合分析方法。将该方法与改进的遗传算法结合,以叶片质量最小和扭转变形最小为优化目标,以复合材料单层厚度、主梁位置等作为优化设计变量,建立叶片的优化设计模型,并进行优化设计。优化结果表明,相比初始叶片,优化叶片的质量有较大的减小,同时可减小叶片的扭振变形量,提高叶片在气动弹性影响下的功率。该研究对于风力机叶片的气动结构一体化设计具有重要的指导意义。     

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。     

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。     

大型风力机叶片气动与结构耦合优化设计研究

针对大型风力机风轮气弹效应对叶片结构的影响作用,对叶片结构优化设计的理论模型建模方法进行研究。采用叶素动量理论和梁理论,并结合遗传算法,将叶片各截面弦长、扭角和铺层厚度3个形状参数作为优化设计的变量,提出一种以叶片最小重量作为结构优化设计目标的理论模型。以1.2 MW风力机叶片为例,对优化前后叶片的3个形状参数与风力机功率特性间关系进行的计算分析表明,考虑叶片气弹变形的影响作用不仅能提高风轮的风能利用系数,且能减小叶片的截面质量线密度,进而降低叶片的制造成本。