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。     

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。     

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。     

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。     

预弯外形对风力机叶片气弹稳定性的影响

为了研究预弯外形对风力机气弹稳定性的影响,以某2 MW低风速风电叶片为研究对象,采用外形参数化表达方法构造叶尖预弯量分别为3、4和5 m的叶片.基于SIMPACK软件建立并验证气-弹-控耦合的风力机整机模型,对配装不同预弯叶片的风力机进行仿真分析.结果显示,在湍流风况下,随着叶尖预弯量的增大,叶根载荷、叶尖附近截面的气...     

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。     

大型下风向柔性叶片参数化建模及两目标优化设计

为了应对超大型风力机的发展对叶片带来的挑战，利用叶片多目标设计方法重点研究大型下风向柔性叶片气动与结构参数的优化设计。构建叶片弦长、扭角和挥舞刚度参数模型，以下风向布局的NREL 5 MW风力机叶片为优化对象，基于快速非支配排序遗传算法开展单机年发电量最大和叶根挥舞弯矩最小的两目标下风向叶片优化设计，得到符合预期的Pareto最优解集。取解集中3套具有代表性的最优解进行分析，由于下风向离心力矩可抵消一部分挥舞弯矩，所以叶根挥舞弯矩均有大幅降低，其中A叶片以牺牲0.963%年发电量的代价，使其叶根挥舞弯矩和叶片挥舞刚度分别减小7.951%和27.071%，可实现大型下风向柔性风轮的轻量化优化设计。以选取的3套叶片为基础，分析弦长、扭角、挥舞刚度对优化目标的影响机制，发现叶片挥舞刚度参数对两优化目标的影响最大。     

预弯对10MW级风力机叶片气动特性的影响

为分析预弯处理对10 MW级风力机叶片气动特性的影响,以DTU 10 MW风力机为例,采用CFD数值模拟方法,研究均匀来流不同风速下风力机的输出功率,并与BEM计算结果进行对比。同时,对比分析直叶片和预弯叶片风力机的功率特性、沿展向出力分布、沿展向不同截面翼型的流动特性。研究结果表明,直叶片各截面翼型的压力差较预弯叶片的大,做功能力较强。预弯通过对叶片的三维流动产生扰动,进而影响风力机的输出功率,且主要体现在叶片展向70%~90%的位置。研究成果可为风力机叶片气动性能的设计与优化提供参考。     

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。     

极端台风下停机姿态对海上风力机叶片气动载荷影响

基于计算流体力学(CFD)方法,选取美国可再生能源实验室(NREL)5 MW风力机叶片主要设计参数,重点研究台风风速大于切出风速(风力机停机)时,不同台风入射风向及不同叶片停机桨矩角对风力机叶片气动载荷的影响特征,揭示最不利叶片停机姿态及对应风载系数;进一步对比分析可能出现的最不利叶片变桨故障停机工况与正常顺桨矩停机工况下的风力机气动载荷的特征,提出2种停机姿态下海上风力机最大安全设计风速的对应建议值。