科研训练报告格式.doc

学校代码： 10128学 号：科研训练报告题 目： 学生姓名： 学生学号：学 院： 机械学院班 级： 机电094指导教师： 孙鹏文 2012年 月 日内蒙古工业大学科研训练报告1、选题背景和意义1.1 选题背景和目的风能作为可再生的绿色能源，凭借其巨大的商业潜力和环保效益，在全球新能源和可再生能源行业中创造了最快的增长速度，是目前世界上能源领域发展最快的技术之一。内蒙古风能资源居全国之首（可利用面积占全国的40），具有分布面广、平均风速大、有效风时长等特点。随着国家能源结构的调整，内蒙古风电事业也以大型、并网型风场开发为标志得以迅猛发展，截止2008年底全区风电装机容量已突破300万千瓦，到2010年将达到500万千瓦以上。“十一五”期间，自治区计划通过与国内外有实力的企业开展合作，在内蒙古建成大型风力机制造基地，实现风电设备的本地化生产，以风电设施的规模化建设带动风电设备的本地化步伐。内蒙古自治区基础科学发展报告已将“兆瓦级风力发电机设计制造技术研究”列为机械工程学科重点支持和优先发展的领域。风电机组的运行环境恶劣，风机叶片是捕获风能的主要部件，也是风力发电机组最基础、最关键的部件，其运动状况和受力情况非常复杂，主要受到由气动载荷、离心力和重力所引起的拉压应力、弯曲应力和扭转应力的联合作用。叶片良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素，直接影响风力机的综合技术经济性能。随着风轮向大型化、轻量化、高性能、低成本的方向发展，提高风轮刚度、减轻叶片重量、改善叶片疲劳特性、实现变桨距功率调节等问题日益突出。为此，研究复合纤维铺层参数对大型风机叶片性能的影响分析，目的在于解决“如何设计和实现纤维铺层，使风机叶片性能达到最优”的问题。1.2 国内外相关研究现状、发展趋势及研究意义经过20余年的发展，欧美等西方发达国家纤维铺放技术及装备已经比较成熟，铺放过程实现了全自动微机程序控制，并在飞机制造业、风电行业得到了成功应用。国内对纤维铺放成型技术的研究和装备的研制尚处于起步阶段，与世界先进水平相比还有较大差距，严重缺乏具有独立自主知识产权的核心技术以及自主创新的能力。目前基本上以手工铺层、真空热压罐成型为主，手工铺层质量差、性能低、制造周期长、成本高，难以实现复杂的结构设计要求。西方发达国家对我国实行技术封锁，严格禁运此类装备。图1 复合纤维铺放原理国内外对复合纤维铺层设计的研究状况为：1）基于等距线、等分点的纤维铺放路径规划，该算法针对具体构件的实际应用，应用等距线、等分点铺放路径均匀密化算法，完成整个构件曲面的纤维铺放路径规划。该类算法并未对铺层方案进行设计和优化，且研究对象主要针对飞机发动机进气道、雷达罩等回转体构件，只适用于开曲面零件的纤维铺放。2）基于遗传算法或蚁群算法的复合材料层合板铺层优化设计，该类方法针对航空复合材料层合板受压的稳定性问题，以工程应用中给定的铺层厚度和铺放角度为已知条件，以屈曲载荷为目标函数，采用遗传算法或蚁群算法优化设计铺层顺序。此类方法虽然可以比较容易地解决铺层顺序的组合优化问题，但是复合材料的铺层还要受到结构强度、刚度、稳定性等方面的约束，如果直接以铺层顺序作为设计变量进行优化设计，由于其巨大的设计变量数目所引起的难以承受的计算工作量，在实际应用中实用价值不大。另外，上述研究所针对的都是复合纤维的等厚度铺放，而风机叶片的铺层是由叶片所受的外载荷决定的。无论是弯矩、扭矩和离心力都是从叶尖向叶根逐渐递增的，因此，叶片铺层厚度也是从叶尖向叶根逐渐递增的。而针对复合纤维铺层参数对大型风机叶片性能的影响分析及铺层设计研究在目前可查文献中尚未见报道。本研究具有科学研究价值和强烈的工程应用背景。项目研究成果可为大型风机叶片纤维铺放控制技术的研究、铺放装备的研制奠定必要的理论基础和技术支撑，对于我区实现兆瓦级风电设备的本地化生产，彻底改善手工铺放的生产现状和落后局面，有着极其重要的现实意义。2 研究内容与预期研究成果2.1 研究目标1）建立具有复杂气动外形和非等厚度内部铺层结构的大型风机叶片结构分析方法；2）探究铺层参数对复合纤维风机叶片性能影响的宏观性规律。2.2 主要研究内容在综合考虑复合纤维性能、风机叶片结构、铺层原则和铺放工艺的基础上，根据风机叶片的曲面构型、性能要求、应力应变分析结果，研究探索复合纤维铺层参数对大型风机叶片性能的影响分析。主要研究内容有：1）大型风机叶片复合纤维铺层设计风机叶片复合材料铺层设计的任务是根据层合板理论及单层性能，设计铺放角度、各定向层相对于总层数的比例及铺设顺序。铺放角度与主应力的方向一致，不同截面的铺层比例和层数则根据该截面的计算应力数值关系以及总铺层厚度确定；在综合考虑铺层原则、铺放工艺及工程经验的基础上，规划铺设顺序，初步确定几种铺层方案。2）铺层参数对风机叶片性能的影响分析，优化确定最佳铺层方案分析极限载荷下不同铺层方案叶片的等效应力和结构变形，采用理论分析和有限元分析相结合的方法，探讨铺层顺序、铺层角度和各定向层铺放层数等参数对叶片性能的影响，优化确定最佳铺层方案。2.3 研究方案及技术路线2.4 拟解决的关键技术1）复合纤维大型风机叶片结构分析方法；2）铺层参数对风机叶片性能的影响分析。2.5 预期研究成果1）形成大型风机叶片复合纤维铺层结构分析方法，铺层参数对复合纤维风机叶片性能影响的宏观性规律。2）论文：在国内外学术期刊及国际学术会议上发表相关科研论文2篇以上；3）人才培养：培养硕士研究生35名。3、主要参考文献 1 金海波. 复合材料飞机结构综合优化设计系统研究D. 南京航空航天大学博士学位论文. 2003. P462 陈绍杰,申振华,徐鹤山. 复合材料与风机叶片J. 玻璃钢/复合材料. 2008,3:42-463 Shirinzadeh B, Alici G, Foong C W, et al. Fabrication Process of Open Surfaces by Robotic Fibre PlacementJ. Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 2004, 20:17-284 /xwzx/2011-01/01/content_21769174.htm5 汪长明，杨继贤，孙业保等.车辆发动机动力学M.北京：国防工业出版社，第一版.1981.车床数控化改造-机械部分设计车床数控化改造-电气控制部分设计多叉式升降平台设计手动液压升降平台车设计直流电机单片机控制系统设计步进电机单片机控制系统设计立式加工中心换刀机构设计三菱电梯控制系统的继电器控制及PLC程序设计四自由度码垛机机械部分设计四自由度码垛机电气部分设计交流伺服系统的研究步进电机控制系统的研究嵌入式控制系统的研究组态软件核心技术的研究自适应PID控制系统的研究并联机构动力学仿真研究参数化建模技术设计特征建模技