W復(fù)合材料風(fēng)電葉片技術(shù)研究

會(huì)計(jì)學(xué)1W復(fù)合材料風(fēng)電葉片技術(shù)研究一、復(fù)合材料葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)1.基本數(shù)據(jù)：翼型數(shù)據(jù)、氣動(dòng)力數(shù)據(jù)、整機(jī)數(shù)據(jù)、風(fēng)況等2.數(shù)學(xué)模型：復(fù)合型法（風(fēng)工程與工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)）Glauert優(yōu)化設(shè)計(jì)法和Wilson優(yōu)化設(shè)計(jì)法（風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)）其他設(shè)計(jì)方法（Bladed軟件設(shè)計(jì)）第1頁(yè)/共35頁(yè)氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)材料

氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果要通過(guò)結(jié)構(gòu)和工藝要求進(jìn)行修正弦長(zhǎng)扭角相對(duì)厚度絕對(duì)厚度后緣厚度3.氣動(dòng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)、材料、工藝關(guān)系第2頁(yè)/共35頁(yè)4.葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)目標(biāo)擬設(shè)計(jì)葉片截面弦長(zhǎng)較大（LM），設(shè)計(jì)尖速比小擬設(shè)計(jì)葉片截面弦長(zhǎng)較小（Aerodyn），設(shè)計(jì)尖速比大設(shè)計(jì)尖速比范圍8~10*風(fēng)輪葉片風(fēng)能利用系數(shù)Cp>0.48*風(fēng)能利用系數(shù)Cp>0.45，要求尖速比范圍較大*風(fēng)場(chǎng)的年發(fā)電量第3頁(yè)/共35頁(yè)5.實(shí)例1：1MW葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)額定功率/kW1000功率調(diào)節(jié)方式變速變槳距風(fēng)場(chǎng)等級(jí)IECIIIA額定風(fēng)速/m﹒s-1≤12葉片長(zhǎng)度/m31風(fēng)輪直徑/m64.42葉根連接處半徑/m1.21設(shè)計(jì)尖速比8.5風(fēng)輪轉(zhuǎn)速/rpm12-21.5切入風(fēng)速/m﹒s-13.5切出風(fēng)速/m﹒s-125翼型AE系列+NACA63

1MW葉片基本設(shè)計(jì)參數(shù)第4頁(yè)/共35頁(yè)設(shè)計(jì)結(jié)果-弦長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)角分布第5頁(yè)/共35頁(yè)設(shè)計(jì)結(jié)果-相對(duì)厚度分布設(shè)計(jì)結(jié)果-平面圖第6頁(yè)/共35頁(yè)性能計(jì)算及結(jié)果-GHbladed尖速比為8.4時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)為0.4851，在尖速比為7.5-9.7范圍內(nèi)，風(fēng)能利用系數(shù)大于0.47。第7頁(yè)/共35頁(yè)軸功率曲線-GHbladed額定風(fēng)速11m/s第8頁(yè)/共35頁(yè)三維模型軟件簡(jiǎn)介：建立葉片三維模型，采用自編的CATIA二次開(kāi)發(fā)軟件，輸入葉片弦長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)角、相對(duì)厚度、前緣距離槳距軸位置、預(yù)彎即可快速、準(zhǔn)確建立三維模型，并且能快速檢查、修改葉片后緣厚度等問(wèn)題。第9頁(yè)/共35頁(yè)1MW葉片三維模型第10頁(yè)/共35頁(yè)6.實(shí)例2：2.5MW葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)尖速比的選擇：9.5葉片長(zhǎng)度：48.8m第11頁(yè)/共35頁(yè)7.實(shí)例2：2.5MW葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)第12頁(yè)/共35頁(yè)第13頁(yè)/共35頁(yè)第14頁(yè)/共35頁(yè)材料、結(jié)構(gòu)與工藝

材料設(shè)計(jì)纖維/樹(shù)脂/芯材

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)蒙皮/主梁/腹板

葉根

生產(chǎn)工藝灌注/預(yù)侵料

二、復(fù)合材料葉片材料設(shè)計(jì)第15頁(yè)/共35頁(yè)A原材料選擇原則結(jié)構(gòu)、工藝、成本B纖維選擇玻璃纖維、碳纖維C芯材選擇PVC、BALSAD樹(shù)脂選擇（熱固性）環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯1原材料選擇與復(fù)合材料性能第16頁(yè)/共35頁(yè)B剛度的預(yù)測(cè)

的確定的確定2單層性能的確定A單層樹(shù)脂含量的選擇

第17頁(yè)/共35頁(yè)縱向拉伸強(qiáng)度C強(qiáng)度的預(yù)測(cè)

縱向壓縮強(qiáng)度第18頁(yè)/共35頁(yè)3復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)A層合板設(shè)計(jì)的一般原則鋪層定向原則、順序原則、變厚度設(shè)計(jì)原則B等代設(shè)計(jì)法層合板材料替代以滿足強(qiáng)度或剛度C主應(yīng)力設(shè)計(jì)法層合板材料主方向與主應(yīng)力方向一致D層合板優(yōu)化設(shè)計(jì)法滿足某種約束條件使層合板質(zhì)量最輕第19頁(yè)/共35頁(yè)A滿足連接設(shè)計(jì)和層合板設(shè)計(jì)的要求B滿足強(qiáng)度和剛度的要求按使用載荷設(shè)計(jì)C滿足復(fù)合材料失效準(zhǔn)則的要求失效準(zhǔn)則適用于單層D滿足工藝性的要求1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則三、復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第20頁(yè)/共35頁(yè)2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理承擔(dān)葉片絕大部分彎曲載荷單軸布鋪層主梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)理論極限強(qiáng)度梁理論蒙皮腹板設(shè)計(jì)理論雙軸布鋪層防止單軸布層開(kāi)裂提供主要剪切強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式蒙皮設(shè)計(jì)理論三軸布鋪層提供部分剪切強(qiáng)度防止葉片表面凹陷經(jīng)驗(yàn)公式第21頁(yè)/共35頁(yè)3葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果Sinoma葉片的外形與截面型式1.5MWSinoma40.21.0MWSinoma31第22頁(yè)/共35頁(yè)1材料的許用值與安全系數(shù)

材料特征值材料安全系數(shù)材料許用值局部安全系數(shù)靜強(qiáng)度分析安全系數(shù)疲勞分析安全系數(shù)四、復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)分析第23頁(yè)/共35頁(yè)2結(jié)構(gòu)模型葉片的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系（GL2003）第24頁(yè)/共35頁(yè)整體有限元模型截面有限元模型葉片的有限元模型第25頁(yè)/共35頁(yè)分析方法采用載荷計(jì)算軟件Bladed進(jìn)行載荷計(jì)算采用有限元軟件ANSYS和ABAQUS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)分析類型模態(tài)分析：固有頻率與預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析變形分析：葉尖最大撓度分析靜強(qiáng)度分析：應(yīng)力-應(yīng)變分析纖維失效分析：纖維方向和纖維層間失效分析穩(wěn)定性分析：葉片整體與局部穩(wěn)定性分析葉根螺栓連接分析：螺栓強(qiáng)度與螺栓壽命分析疲勞分析：葉片壽命分析3結(jié)構(gòu)校核分析第26頁(yè)/共35頁(yè)分析實(shí)例Sinoma31葉片結(jié)構(gòu)分析Sinoma40.2葉根螺栓連接分析4結(jié)構(gòu)校核分析實(shí)例模態(tài)分析

一階揮舞頻率0.924HZ(55.4rpm)一階擺振頻率1.708HZ(102.5rpm)第27頁(yè)/共35頁(yè)靜強(qiáng)度分析根據(jù)bladed載荷計(jì)算報(bào)告，按照最終極限載荷對(duì)葉片進(jìn)行靜強(qiáng)度分析校核。葉片某段的局部應(yīng)力圖該段葉片迎風(fēng)面主梁(UD)應(yīng)力圖第28頁(yè)/共35頁(yè)纖維失效分析失效準(zhǔn)則：最大應(yīng)力準(zhǔn)則（簡(jiǎn)單直觀）纖維方向失效指數(shù)垂直纖維方向失效指數(shù)纖維層間剪切失效指數(shù)纖維層粘接失效分析指數(shù)

纖維方向失效分析第29頁(yè)/共35頁(yè)編號(hào)截面(m)屈曲因子編號(hào)截面(m)屈曲因子11.21479.041216.711.2922.11292.471318.261.3732.76128.221419.811.4144.3114.491521.361.4755.8610.051622.911.5567.416.291724.461.4878.963.761826.011.39810.512.821927.561.44912.062.062029.111.451013.611.742130.662.621115.161.522232.2183.34*局部穩(wěn)定性分析

葉片局部失穩(wěn)圖(L=27.9m，屈曲因子=2.738)表3-2各截面的失穩(wěn)屈曲因子（含安全系數(shù)）第30頁(yè)/共35頁(yè)葉根螺栓連接分析葉根螺栓連接分析包括連接螺栓的靜強(qiáng)度分析和葉片根部玻璃鋼強(qiáng)度分析，采用工程算法和ABAQUS有限元算法對(duì)葉根螺栓連接強(qiáng)度進(jìn)行分析。

葉根連接的有限元模型十字頭螺栓的應(yīng)力變化圖

第31頁(yè)/共35頁(yè)部

件計(jì)算部位剩余系數(shù)失效系數(shù)雙頭螺柱光桿拉伸1.56/雙頭螺柱和十字頭螺栓的螺紋彎曲1.1/剪切1.12/擠壓1.25/十字頭螺栓彎曲和剪切2.5/葉根玻璃鋼擠壓5.6/3AX三軸布單層強(qiáng)度/0.0055雙軸布單層強(qiáng)度/0.377*葉片根部最小剩余強(qiáng)度系數(shù)表葉片根部最小剩余強(qiáng)度系數(shù)均大于1，螺栓連接安全可靠，滿足設(shè)計(jì)要求；葉片根部纖維布最大失效系數(shù)均小于1，根部連接安全可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。第32頁(yè)/共35頁(yè)截面編號(hào)剩余安全系數(shù)1-21.1131.2841.2751.2261.2471.3381.2991.36101.36111.35121.35131.41141.32