水平轴风力机叶片的设计及流固耦合计算

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1、IIIIIIllllllqIILIIIIIllIIIIIIIIIIIIIIllllUY2362902独创性声明本人声明，所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生(签名)：继日期：堑监盟学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的

2、复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)～雠懈～孙嘲隗叫瓤哆中文摘要本文针对功率为3Mw的大型风力机进行叶片设计，实现从叶片几何模型设计建立、结构形式确定到复合材料铺层方案制定和优化的整个过程，目的在于通过理论与有限元结合的方式形成一套风力机叶片设计的总体方案。首先根据相关资料和理论计算出叶片的设计参数，包括风轮半

3、径、叶片数、叶尖速比等。比较Glauert理论和Wilson理论后采用后者了进行叶片外形设计，选定了一组包括FFA—W3—301和NACA63—415等的翼型进行设计，并通过调整个别翼型得到拥有足够弦高比的翼型FFWM一35和FFAM一40用于叶根部分的设计，编写出Matlab程序计算出攻角等参数，并将叶片模型每个叶素通过ibl文件的形式输出，然后在建模软件Pro／E中通过边界混合工具建立起三维模型。随后将叶片三维模型导入到ANSYSWorkbench中进行进一步的处理，添加了叶片内部的腹板，并建立起叶片附近的流场和远离叶片的流场几何模型，通过网格划分得到ANSYS

4、固体有限元模型和Fluent流体有限元模型。接着确定叶片的载荷工况和边界条件，包括风速和湍流强度、湍流长度尺度等，设置了载荷步数和求解时间，并通过AWB中的多场耦合新增辅助模块SystemCoupling将ANSYS和Fluent进行耦合计算，初步计算出叶片在气动载荷作用下的动态响应曲线，得到叶片表面最大正风压值为963．5Pa，与理论的基本风压接近，从而判定有限元计算结果的具有一定的可靠性，且在0．4s时叶片有最大的变形，对应的结果将作为设计下一部设计的依据。进行叶片复合材料结构设计的理论研究，并根据初步计算结果提取出复合材料铺层主方向和板壳内力作为设计参数，以层

5、合板设计理论与受压薄壳屈曲理论作为叶片的复合材料结构设计理论，根据提取得到的设计参数编写出叶片复合材料铺层厚度计算程序，得到叶片复合材料任意角度和变厚度的初步铺层方案。利用稳定性计算结果作为优化的依据，对叶片铺层方案进行了调整，最后调整载荷步数为200步，时间调整为O．5s，重新进行了叶片铺层优化前后的双向流固耦合计算和稳定性计算。最终得到一阶屈曲载荷系数从原来的3．3298提升到4．2259，叶片的蔡．吴强度比从原来的3．42提高到了4．01。而叶片重量从原来的16．71吨减少为15．99吨。以上进行的工作最终得出了较为理想的结果，为叶片的完整设计以及利用双向流固

6、耦合模拟进行风力机叶片设计提供了参考。关键词：风力机叶片，3MW，双向流固耦合，复合材料铺层设计，有限元AbstractThisthesisaimtodesignabladeofalargescalewindturbinewhosepoweris3MW．Procedureofbladegeome仃ydesignandbuildup，structuretypedecision，laminatecompositeschemecreationandoptimizationwereimplemented．Ourtargetistocombinetheorywithfinit

7、eelementanalysisandworkoutanoverallwindturbinebladedesignscheme．Firstofall，somematerialandtheoryarereferredanddesignparametersarecomputedsuchasradiusnumberofbladeandtipspeedratio．ThenaftersomecomparisonbetweenGlauerttheoryandWilsontheoryweadoptedthelatterasOurbladegeometrydesigntheor