基于流固耦合的风力机叶片应力_应变特性研究

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20151800109硕士学位论文（学生类别：全日制专业型硕士研究生学位类别：工程硕士领域名称：动力工程论文题目：基于流固耦合的风力机叶片应力/应变特性研究英文题目：Studyonthestress/straincharacteristicsofWindTurbineBladesbasedonfluid-solidcouplings学生姓名：谢晓凤导师姓名：宋力副教授李鑫高级工程师二○一八年四月内蒙古工业大学硕士学位论文摘要风轮是风力机的关键部件，风力机叶片是具有大挠度的细长体，在气动载

2、荷作用下会产生较大变形，这种非定常变形与非定常气动载荷相互耦合作用，不仅会改变风力机的气动性能，而且影响运行的安全性。风力机叶片结构设计和材料选择依赖于其承受的载荷及应力/应变响应，特别是风电机组单机容量逐渐向大容量发展，基于流固耦合的风力机叶片应力/应变特性研究已成为风力机设计中重点关注的问题之一。本文以风力机叶片结构载荷及其应力/应变响应的相互作用为物理问题，选取风轮直径为2m的水平轴风力机为研究对象，采用数值模拟计算和试验研究等方法，旨在研究风力机叶片在承受各种载荷作用时结构的应力/应变特征，主要研究内容包括：（1）利用S

3、olidWorks三维建模软件对叶片建模，通过AnsysWorkbench软件建立双向流固耦合计算平台，对叶片模型进行网格划分，并进行非稳态计算。通过控制转速，可以得出流场及结构场在不同载荷下的具体数值，定量的研究叶片在不同工况下的位移及应力/应变。结果显示：气动载荷会使叶片产生挥舞方向的变形，且在展向上有较大幅度的位移；转速与叶片在圆周运动面上的摆振呈正相关，但受重力载荷和转动方向影响，叶片在不同运动位置处，其结构的应力/应变呈周期性变化。（2）采用了数字图像相关技术，利用Vic-3D非接触式位移应变测量系统，开展了在重力载荷

4、和惯性载荷作用下，叶片在不同转速和不同位置处的位移及应力/应变测量试验。根据试验数据对位移及应力/应变进行分析，可以得到：惯性载荷与叶片的应力/应变间的相关影响规律；叶片在圆周运动的不同位置处时，其重力载荷与应力/应变间的关系。本文在多载荷同时作用的情况下探究了风力机叶片沿展向和弦向的位移及应力/应变分布情况，该研究将为风力机设计、运行和维护提供参考和指导。关键词：风力机叶片；气动载荷；数值模拟；位移；应力/应变I内蒙古工业大学硕士学位论文AbstractWindrotorisakeypartofwindturbine.Blad

5、esofwindturbineareslenderbodiesofhighdeflection.Theyundergoagreatdeformationunderaerodynamicloading.Thiskindofunsteadydeformationisinter-coupledwithunsteadyaerodynamicloading,whichnotonlychangesaerodynamicperformanceofwindturbines,butaffectoperatingsafety.Structurald

6、esignandmaterialofbladesofwindturbinedependsonitsbearingloadsandstress/strainresponses.Especiallyinthecircumstancethatunitcapacityofwindturbinesbecomeshigherandhigher,fluid-solidcouplingbasedstudyonstressandstraincharacteristicsofbladesofwindturbineshasbecomeakeypoin

7、ttobeemphasizedindesignofwindturbine.Inthispaper,theauthortookhorizontalaxiswindturbinewithadiameterof2masanobjectofstudy,discussedthephysicalproblemofinteractionbetweenstructuralloadsandstress/strainresponseofbladesofwindturbine,andadoptedsuchmethodsascalculationofn

8、umericalsimulationandexperimentalstudytoresearchstress/straincharacteristicsofbladesofwindturbinewhentheybearvariousloads.Themainre