风电叶片玻璃纤维布铺层装备承载横梁的力学分析及补偿应用

为了获取风电叶片玻璃纤维布铺层装备承载横梁的结构力学性能,文章对承载结构进行试验,得到其弯曲夹角为0.034 6°,高度收缩量为3.03 mm。通过建立承载横梁的有限元模型,得到了横梁受力变形关系,并进一步构建了补偿方程。模拟及现场试验结果表明,基于有限元法的装备力学分析能较真实反映承载横梁的工作特性,补偿方程能有效弥补横梁变形,变形误差小于0.16 mm。     

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。     

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。     

基于径向基神经网络的风力机叶片铺层优化

采用混合均匀试验设计法细化铺层参数,确定试验方案,仿真叶片的Tsai-Wu失效因子和最大位移;根据分析结果,构建具有预测能力的径向基神经网络模型,通过计算网络预测值与仿真分析值误差、均方差与均方根值,验证网络模型的可靠性;在完成训练的径向基神经网络中应用遗传算法,径向基神经网络预测值作为遗传算法的输入,对铺层角度、±x°铺层厚度比例和铺层顺序进行迭代求解,获得优化的铺层参数组合。实例表明:优化后叶片的刚度、强度得到改善,验证了方法的可行性和有效性。     

爬壁机器人风电叶片曲面路径规划设计与仿真

针对爬壁机器人在风电叶片叶中段表面的全局路径规划,构造路径点对空间曲面体的碰撞罚函数神经网络结构,以路径能量最优为目标设计路径点优化算法,并引入模拟退火法避免算法陷入局部极小值,设计温度更新函数。根据兆瓦级风电叶片曲率变化幅度,将风电叶片叶中段等效为由边界曲面及边界平面构成的曲面体。用Matlab仿真路径规划算法,得到不同速度系数和模拟退火权值下的可行路径曲线。结果表明较小的速度系数能提高路径点位置精度,模拟退火权值越小收敛速度越高,该算法可规划出沿着叶中段表面的可行路径。     

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。     

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。     

300 W风力机木芯叶片模态特性实验研究

300 W风力机叶片采用以樟松木为芯,外铺3层玻璃纤维的方式构成。对此樟松进行顺纹方向压缩实验,得到其破坏载荷7.32 kN,断裂强度62 MPa;对3层玻璃纤维进行拉伸实验,得到其破坏载荷1.3 kN,断裂强度4MPa。将此叶片近似看作悬臂梁,采用锤击法,用加速度传感器和力传感器结合软件对信号进行采集和分析,得到所需要的固有频率、振型及阻尼比。实验结果表明,该铺层方式下木芯叶片的1阶固有频率为23.30 Hz、1阶阻尼比为5.29%,并获得1阶挥舞振型,通过与木芯叶片风轮的转动频率20.01 Hz相比较,证明此木芯叶片发生共振几率较大,可为后续优化研究提供依据。     

风力机叶片气热除冰效率影响因素分析

为分析风力机叶片气热除水效率的影响因素，基于气热法对风力机叶片除冰效果进行试验分析，重点考虑铺层结构的导热效率和鼓风机速度(或频率)对除冰效率的影响。首先对叶片构造和铺层结构进行介绍，通过对铺层结构厚度测量估算导热系数，根据冬季叶片覆冰位置，验证气热除冰时叶片导热分布合理性。之后通过改变鼓风机速度(或频率)进行现场叶片除冰试验。试验结果揭示了气热除冰系统在对风力机叶片除冰过程中出现的除冰不均衡现象的根本原因，表明在保证通风管出风口温度稳定的前提下，鼓风机速度(或频率)越高，叶片表面除冰均衡性越好，除冰效果越显著。此外，在使用更大鼓风机频率的同时增强叶片内部环流，合理设置叶片内部环流结构可有效提高除冰效率并减小除冰耗时。研究结果可为工程实践提供指导。     

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DMO的风力机叶片细观纤维铺角优化设计

为进一步发挥复合材料铺层参数的可设计性潜力,提出融合离散材料优化法与遗传算法的叶片铺层角度优化方法.构建以细观单元铺层角度为设计变量、刚度最大为目标函数、应力最小为约束条件的叶片细观纤维铺层角度优化数学模型.应用Python语言编写算法求解程序,并与Abaqus软件交互进行求解,得到叶片各单元各层优化的铺层角度、铺层顺...     

复合材料纤维铺层对潮流能水平轴水轮机叶片性能的影响研究

针对20 kW潮流能水平轴水轮机,设定7种铺层方案.利用ANSYS软件对叶片进行建模,考察其刚度、模态和强度.基于Tsai-Wu强度理论,层间变形一致假设、直法线假设和平面应力假设,利用有限元法计算叶片刚度,通过模态分析得到叶片固有振型和固有频率随铺层角度的变化趋势;根据实际工况施加载荷,得到不同铺层方案下叶片的最大变...     

风电叶片自动铺层设备位置姿态估计算法研究

为解决风电叶片自动铺层设备位置姿态估计问题,采用位置姿态传感器进行信息融合,提出杂草算法支持的粒子群优化算法(IWO-PSO),该算法以支持向量回归机(SVR)为基础算法并用于SVR参数寻优。首先利用高斯核函数将铺层设备位置姿态进行高维映射;然后利用IWO-PSO增强算法全局搜索能力,通过IWO的入侵特性优化PSO寻找适应度能力,最终获得SVR的最优参数,与同类算法相比算法收敛速度提高20%;实验验证表明该算法可高效快速完成对铺层设备位置姿态的估计,IWO-PSO-SVR算法求出铺层设备逆运动学数值解无需其他要求,姿态误差小于0.2 rad,位置误差小于0.03 m提高了姿态预测的精度,具有很高的工程应用价值和经济价值。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。