复合材料风力发电机叶片流固耦合分析

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1、第3期机械设计与制造2013年3月MachineryDesign&Manufacture227复合材料风力发电机叶片的流固耦合分析常丽平，李成，铁瑛，张晓闯(郑州大学机械工程学院，河南郑州450001)摘要：为研究风力发电叶片在工作过程中的应力状态和变形情况，以某一水平轴风力发电机的风轮叶片模型为研究对象，运用AnsysWorkbench软件平台中的流体力学计算软件CFX，对不风速和叶厚下的复合材料风力发电叶片进行了流固耦合数值模拟，并对不同工况下叶片的应力及变形情况进行了分析比较。结果表明：叶片上距离叶根约2／3叶高处有明显的应力集中，

2、容易发生疲劳断裂；且叶尖部位有较大变形。模拟计算结果与工程实际相一致，可对工程实际中风力发电叶片的设计和制造提供一定的指导。关键词：复合材料；风力发电叶片；流固耦合；应力；变形中图分类号：TH16；TB126文献标识码：A文章编号：1001—3997(2013)03—0227—04Fluid-SolidInteractionAnalysisofCompositeWindTurbineBladesCHANGLi-ping，LICheng，TIEYing，ZHANGXiao-chuang’(SchoolofMechanicalEngineer

3、ing，ZhengzhouUniversity，He’nanZhengzhou450001，China)Abstract：Inordertostudythestressstateanddeformationofthewindturbinebladesinthecourseoftheirwork，thefluid—solidinteractionofahorizontalaxiscompositeswindturbinebladeunderdifferentwindspeedandthicknessissimulatednumericall

4、yusingthecomputationalfluiddynamicsSoftwareCFXintheAnsysWorkbenchsoj~wot'eplatform，andalsothestressanddeformationunderdifferentworkingconditionsalecomparedrespectiveAndtheresultshowsthat：obviousstressconcentrationOccursattheplaceof2／3oftheheightawayfromthebladerootalongth

5、eblade，whereisDIorepronetofatiguefracture；andthedeformationofthebladeismuchl12orelarger．Andthesimulationresultsareconsistentwithengineeringpractice，whwhprovidesoITteguidanceonthedesignandmanufactureofwindturbinebladesintheengineeringpractice．KeyWords：Composite；WindTurbine

6、Blade；Fluid--SolidInteraction；Stress；Deformation软件平台中的流体分析软件CFX对复合材料风力发电叶片进行1引言流固耦合数值模拟并对不同工况下的计算结果加以比较分析。近年来，随着世界人口的增长和经济的快速发展，常规一次流固耦合力学是由流体力学与固体力学交叉而生成的一门能源日渐枯竭，生态与环保的压力与日俱增，寻找新的可替代能力学分支，其重要特征是两介质之间的交互作用[71。流固耦合问题源已迫在眉睫。而风能作为一种可再生、无污染的绿色能源，与常通常情况下由流固耦合方程来定义[81，其定义域包含有流

7、体域和规能源相比有着很大的优势，发展潜力很大，而风力发电又是风固体域。流体动力学计算和软件的改进使得研究人员能够更精确能的最主要利用形式，目前风力发电已逐渐成为世界各国重点发地模拟叶片实际的受力状态，并在此基础上，进一步改善叶片的展的能源之一。空气动力学特征”。风力发电叶片是一个展向长、弦向短，柔性较好，容易发生振动的细长弹性体，且在工作过程中，叶片受力较为复杂口，而叶2数值模型片是风力发电机中最为关键的部件。所以，对风力机叶片的材料无论处于什么状态，流体的流动都要受到质量守恒、动量守的性能要求通常比较苛刻。复合材料是由两种或两种以上不同

8、性恒和能量守匣三大物理守恒定律的支配。质的材料在宏观上组成具有新陛能的材料，各种材料在性能上互2．1计算流体力学基本理论相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成流场中的控制体既