大型风机叶片动态分析及结构优化

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1、分类号密级硕士学位论文题目：大型风机叶片动态分析及结构优化英文并列题目：Dynamicanalysisandstructureoptimizationoflargewindturbineblades研究生：杨俊专业：机械制造及其自动化研究方向：CAD/CAM/CNC导师：武美萍教授指导小组成员：学位授予日期：2015年6月19日答辩委员会主席：吉卫喜江南大学地址：无锡市蠡湖大道1800号二○一五年六月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研宄成果。尽我所知，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

2、究成果，也不包含本人为获得江南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谢意。签名：_柏輪曰期：年6月>日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定:江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。日期年乂月#摘要摘要由于能源危机与环境污染问题日益凸显，可再生能源领域

3、尤其是风电产业发展迅猛。随着风电技术的不断进步，装机容量持续增长，风轮半径不断增加，叶片结构外形日趋复杂。为了更好地获取风能资源，叶片必须具备优良的气动特性，而工作环境的复杂恶劣，则需要叶片满足相应的结构要求。虽然目前我国风电产业处于快速发展阶段，然而核心的设计制造技术仍未掌握，因此本文针对风机叶片的气动与结构问题进行了研究，主要做了以下工作：1.风机叶片气动外形设计。对风机叶片相关的空气动力学理论进行研究，分别采用Betz、Schmitz、Glauert以及Wilson四种模型进行了1.5MW风机叶片的气动外形设计。结合设计结果对四种模型进行分析比较，选择其中的最

4、优模型作为后续的研究基础。2.风机叶片几何外形修正与气动性能分析。由于叶片气动设计理论只考虑了如何最大限度地获取风能，忽略了结构性能与可加工性，因此在限制最大弦长的条件下，采用三次多项式拟合的方法进行叶片几何外形修正。采用风电权威软件GHBladed建立了风机整机模型，求解出风机在各风速下的电功率输出，从而检验其气动性能。3.风机叶片建模与结构性能分析。基于坐标变换理论，将翼型的初始二维坐标变换成相应的三维空间坐标，采用ANSYS软件建立了叶片的有限元模型。对运行过程中叶片上作用的复杂载荷情况进行了分析，并利用GHBladed软件进行了载荷求解。通过各风速下的振频特

5、性研究，分析了转速对叶片的频率与振型的影响，检验了叶片在正常运行过程中是否发生共振现象；通过各风速下的强度与刚度性能研究，找出了叶片稳定运行下的危险工况，得到了运行过程中的应力极值与最大变形；对危险工况下的叶片稳定性进行了研究，对可能发生失稳的部位进行了预判。4.风机叶片结构优化与疲劳寿命计算。在约束强度与叶尖变形的条件下，选取三种铺层材料的厚度作为设计变量，以叶片质量最小作为目标函数，采用有限元结合优化算法对风机叶片进行结构优化，成功降低了叶片重量。考虑到叶片在实际运行工程中往往承受交变载荷的作用从而可能会产生疲劳失效，因此选用合适的S-N曲线以及Miner累积损

6、伤理论，对优化设计后的玻璃钢叶片进行疲劳寿命计算，验证了优化设计方案的可行性。关键词：风机叶片；气动设计；结构优化；疲劳寿命IAbstractAbstractDuetotheenergycrisisandenvironmentalpollution,renewableenergy,especiallywindpowerindustryisdevelopingrapidly.Withtheprogressofwindpowertechnology,theinstalledcapacityandtheradiusofwindturbineisincreasing.Bes

7、ides,theshapeofbladeismorecomplex.Inordertogetmorewindenergyresourcesandensuresafety,aerodynamicandstructureperformanceofwindturbinebladeisveryimportant.AlthoughthewindpowerindustryisgrowingrapidyinChina,thecoredesignandmanufacturingtechnologyhasnotyetbeenmastered.Themaincontentsofth