（机械制造及其自动化专业论文）design+and+structural+studies+of+composite+wind+turbine+blade+using+finite+element+.pdf

d e s i g na n ds t r u c t u r a ls t u d i e so fc o m p o s i t ew i n dt u r b i n eb l a d eu s i n gf e m 摘要 风力发电具有造价低、可靠性高、装机灵活和维护简便等优点，作为一种典 型的清洁能源，近年来发展迅速。风力发电机组由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮 箱、调速机构和发电机等部分组成。而叶片是风力发电机的最重要的关键零件， 而且材料选择是风力发电机叶片设计与制造的重要因素，玻璃纤维已在风力发电 机叶片制造中得到了应用；由于复合材料能够满足轻质、抗静态和动态载荷，因 此，目前复合材料在叶片的选材中应用越来越广泛。 本文针对9 米长的复合材料叶片进行了有限元计算，分析了材料特性、叠层、 厚度等要素的影响。在现有的叶片截面上，使用不同厚度的n r e l 剖面，基于层 叠理论和多层结构原理进行复合材料叶片研究，并完成了二个设计实例。通过具 有相同外部几何要素、二种不同材料层压的对比分析可以发现，碳纤维玻璃复合 材料可以减低1 1 的重量。 层叠结构具有较好的刚度，由于使用了垂直的叠层，使壳体提供给叶片以足 够的扭转刚度，分析表明，碳纤维玻璃复合材料降低了1 5 ，基于梁理论的应力 分析结果与有限元分析结果吻合较好，说明在风力发电机叶片设计中可以采用该 有限元模型。 模态分析表明，与玻璃纤维叶片相比，复合材料叶片具有较高的固有频率和 振型，更适合于大风条件。本文还分析了复合材料叶片的制造工艺特性，对该类 复合材料叶片的成型工艺给出了选择建议。 关键词：风力发电机；叶片；复合材料；有限元分析 a bs t r a c t t h eb l a d ei sc o n s i d e r e da st h em o s tc r i t i c a lc o m p o n e n ti naw i n dt u r b i n es y s t e mw h i c h n o w a d a y si sb e i n gm a n u f a c t u r e du s i n gp o l y m e rm a t r i xc o m p o s i t em a t e r i a l s ，i na c o m b i n a t i o n o fm o n o l i t h i ca n ds a n d w i c hs t r u c t u r e s c o m p o s i t em a t e r i a l ss a t i s f yc o m p l e xd e s i g n c o n s t r a i n t ss u c ha sl o w e rw e i g h ta n dp r o p e rs t i f f n e s s ，w h i l ep r o v i d i n gg o o dr e s i s t a n c et ot h e s t o i ca n dd y n a m i cl o a d i n g a c o m p o s i t e9 - m e t e rl o n gw i n dt u r b i n eb l a d eh a sb e e nd e s i g n e do nt h eb a s i so f b l a d e e l e m e n tt h e o r y ( b e t ) a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e m ) h a sb e e np e r f o r m e db yu s i n g c o m m e r c i a lc o d ea n s y sf i n i t ee l e m e n tp a c k a g e v a r i o u sd e s i g np a r a m e t e r sf o rab l a d es u c h a sm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，l a m i n a t el a y - u p ，s k i nt h i c k n e s s ，p l yo r i e n t a t i o n ，i n t e r n a ls p a re t c h a v e b e e nd e t e r m i n e di t e r a t i v e l yt og e to p t i m a lb l a d es t r u c t u r a ld e s i g n c l a s s i c a ll a m i n a t et h e o r y a n ds a n d w i c hc o n s t r u c t i o np r i n c i p l e sa r eu t i l i z e di nt h ed e v e l o p m e n to ft h em a t e r i a ll a y u p n r e ls s e r i e sa i r f o i l sw i t hd i f f e r e n tc h o r dt h i c k n e s sa r eu s e dg o n gc u r r e n tb l a d ec r o s s s e c t i o n s t w od e s i g nc a s e sw e r ea n a l y z e d ，i n v o l v i n gd i f f e r e n c e si nm a t e r i a l s ，s t a c k i n g s e q u e n c e ，p l yo r i e n t a t i o n sa n dl a m i n a t i o nt h i c k n e s s m a t e r i a ls e l e c t i o n sf o rw i n dt u r b i n eb l a d ed e s i g na r ea l s oa ni m p o r t a n tc o n s i d e r a t i o nf o r b l a d ed e s i g na n df a b r i c a t i o n g l a s sf i b e r sa r et r a d i t i o n a l l yb e i n gu s e da sab a s i sm a t e r i a lf o rw i n d t u r b i n eb l a d em a n u f a c t u r i n g ia l s ow o u l dl i k et oa d d r e s st h ea d v a n c e du s eo fc a r b o nf i b e r si na w i n dt u r b i n eb l a d et h r o u g hd e s i g n ，m a n u f a c t u r i n ga n ds t r u c t u r a lp e r f o r m a n c ei no r d e rt oh a v e r e d u c e dw e i g h ta n di n c r e a s e ds t i f f n e s sf o rt h eb l a d ea sa na l t e r n a t i v em a t e r i a l i ti so b s e r v e d t h a t ，t h e r ei sas u b s t a n t i a lw e i g h ts a v i n g ( i nt h ec u r r e n tc a s ea l m o s t11 ) w i t ht h e u s eo fc o s t 。 e f f e c t i v ec a r b o n g l a s sh y b r i dm a t e r i a l o n eo ft h ef o c u s e si so nt h es t r u c t u r a ls t a t i cs t r e n g t ho f w i n dt u r b i n eb l a d e sl o a d e di nf l a p w i s ed i r e c t i o na n dm e t h o d sf o ro p t i m i z i n gt h eb l a d ec r o s s - s e c t i o nt oi m p r o v es t r u c t u r a la n dm a n u f a c t u r i n gc h a r a c t e r i s t i c s a ne i g e nv a l u eb u c k l i n g a n a l y s i sw i l la l s ob ec a r r i e do u ti no r d e rt oc o n f i r mt h eb l a d et ob es o u n d a n ds t a b l eu n d e r v a r i o u sl o a dc o n d i t i o n s m o r e o v e r ，t h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d a ls h a p e so ft h er o t o r b l a d ew e r ec a l c u l a t e da n dp l o t t e df o rd e f i n i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：w i n dt u r b i n eb l a d e ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；c o m p o s i t em a t e r i a l s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d l i s to ff i g u r e s f i g u r e1 1f l o wo f w i n da n dc u r r e n t sa c r o s st h eg l o b e 1 f i g u r e1 2t o t a li n s t a l l e dc a p a c i t yo f w i n dp o w e rw o r l d w i d e 2 f i g u r e1 3w i n dt u r b i n es y s t e m sw i t h ：a ) h o r i z o n t a la x i s ；b ) v e r t i c a la x i s 3 f i g u r e1 4r e p r e s e n t a t i v es i z e ，h e i g h t ，a n dd i a m e t e ro f w i n d t u r b i n e s 4 f i g u r e1 5s e c t i o no fd i f f e r e n tb l a d e s ：a ) w i t hs p a rc a p sa n ds h e a rw e b ；b ) w i t hb o xs p a r 5 f i g u r e2 1a c t u a t o rd i s cm o d e lo f aw i n dt u r b i n e 11 f i g u r e2 2o p e r a t i n gp a r a m e t e r sf o rab e t zt u r b i n e ：t h ep o w e r a n dt h r u s tc o e f f i c i e n t sc pa n dc ta sa f u n c t i o no f t h ea x i a li n d u c t i o nf a c t o rn 1 ：； f i g u r e2 3a e r o d y n a m i cf o r c e so na i r f o i ls e c t i o n lz f i g u r e2 4d e c r e a s i n ga n di n c r e a s i n gp r e s s u r eg r a d i e n t so nt h eb o u n d a r yl a y e r 1 6 f i g u r e2 5l i f ta n dd r a gc o e f f i c i e n t sf o r t h en a c a0 0 1 2s y m m e t r i ca i r f o i l 17 f i g u r e2 6b l a d ee l e m e n tg e o m e t r yf o rh a w td e s i g n 18 f i g u r e2 7p r o em o d e l 2 0 f i g u r e2 8c h o r dd i s t r i b u t i o n 2 2 f i g u r e2 9t w i s td i s t r i b u t i o n 2 2 f i g u r e2 1 0t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n 2 2 f i g u r e2 11t w i s t e db l a d ep r o f i l e 2 3 f i g u r e3 il a m i n a t ec r e a t i o np r i n c i p l e s 2 6 f i g u r e3 2s a n d w i c hs t r u c t u r ec o m p a r e dt oi - b e a m 2 7 f i g u r e3 3c o m p o n e n t so f n o r m a la n ds h e a rs t r e s s e s 2 8 f i g u r e3 4p r i n c i p a lm a t e r i a la x e sa n dl o a d i n ga x e sf o ral a m i n a 2 9 f i g u r e3 5d e f o r m a t i o nd i f f e r e n c e si ni s o t r o p i c ，o r t h o t r o p i ca n da n i s o t r o p i cm a t e r i a l s 3 0 f i g u r e3 6l a m i n a t e s ：a ) u n i d i r e c t i o n a l ；b ) a n g l e - p l y ；c ) c r o s s p l y 31 f i g u r e3 7a ) l a m i n a t ec o n s t r u c t i o n ；b ) m a t e r i a la x i sf o ras i n g l ep l y 3 4 f i g u r e3 8f o r c e sa n dm o m e n t sa c t i n go nal a m i n a t ep l a t e 3 6 f i g u r e3 9s t r a i na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n s ：a ) l a m i n a t e ；b ) s t r a i n ；c ) s t r e s s ；d ) n o r m a lf o r c ea n d b e n d i n gm o m e n tr e s u l t a n t s 3 8 f i g u r e3 1 0c r o s s s e c t i o no f t h eb l a d em o d e l 4 0 f i g u r e4 1s t r u c t u r a la r c h i t e c t u r eo f t h eb l a d e 4 1 f i g u r e4 2m a t e r i a l su s a g ei nt h es p a rc a p 4 3 f i g u r e4 3s c h e m a t i cd r a w i n g so f m a j o rm a t e r i a lr e g i o n s 4 4 f i g u r e4 4t r i a x i a lc a r b o n f i b e r g l a s sf a b r i c 4 4 f i g u r e4 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f v a r t mp r o c e s s 4 5 f i g u r e4 6c h a r t - f l o wo fb l a d em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 4 7 f i g u r e4 7c x 一1 0 0v a c u u mb a g g i n g ( 1 e f t ) a n di n f u s i o np r o c e s s ( r i g h t ) 4 8 f i g u r e4 8c o n f i g u r a t i o no f b l a d ew e i g h i n g 4 9 f i g u r e4 9f i b e r g l a s s t o c a r b o ns p a rt r a n s i t i o n s 5 0 f i g u r e5 1b l a d em o d e li na n s y s 5 3 f i g u r e5 2l o w p r e s s u r es k i nr e m o v e d 5 3 f i g u r e5 3f em e s hm o d e l ：c o l o r ss p e c i f yd i f f e r e n tl a y u p 5 4 f i g u r e5 4c r o s s - s e c t i o na tr 2 5 ：c o l o r si nd i f f e r e n tt h i c k n e s s 5 4 f i g u r e5 5s h e l l 9 9g e o m e t r y 5 5 f i g u r e5 6s t a c k i n gs e q u e n c ef o rs p a rc a pa t2 0 rs t a t i o n 5 7 f i g u r e5 7l o a d i n ga n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 5 9 f i g u r e5 8l i n e a ra n dn o n l i n e a rb u c k l i n gc u r v e 6 0 f i g u r e5 9b l a d ed e f l e c t i o n s ：a l l g l a s s ( 1 e f t ) a n dc a r b o n g l a s s ( r i g h t ) 6 2 f i g u r e5 1 0c o m p a r i s o no f d e f l e c t i o n sf o rb o t hb l a d e s 6 3 f i g u r e5 1lc o m p a r i s o no ff l a p w i s eb e n d i n gs t i f i n e s s 6 4 f i g u r e5 1 2e s t i m a t e dm a s sd i s t r i b u t i o n 6 4 f i g u r e5 1 3r e d u c t i o ni nt o t a lb l a d ew e i g h ta sm o r ec a r b o nf i b e r sa r eu s e d 6 5 f i g u r e5 1 4v o nm i s e ss t r e s sf o ra l l g l a s sb l a d e 6 6 f i g u r e5 1 5v o nm i s e ss t r e s sf o l c a r b o n g l a s sb l a d e 6 6 f i g u r e5 1 6c o m p r e s s i o na n dt e n s i o nc a u s e db yl o a d i n go nb l a d e 6 7 f i g u r e5 1 7c o m p a r i s o no fs t r e s sd i s t r i b u t i o na l o n gt h eb l a d e s 6 7 f i g u r e5 1 8v o nm i s e ss t r e s si nt h ew e bo f a l l 一g l a s s ：l ps i d er e m o v e d 6 8 f i g u r e5 1 9v o nm i s e ss t r e s si nt h ew e bo f c a r b o n g l a s s ：l ps i d er e m o v e d 6 8 f i g u r e5 2 0m o d es h a p e sf o ra 1 1 g l a s sb l a d e s c a l ef a c t o r ：5 0 m m 7 0 f i g u r e5 2 1f i r s te i g e nb u c k l i n gm o d e sf o ra 1 1 g l a s sb l a d e 7 2 f i g u r e5 2 2f i r s te i g e nb u c k l i n gm o d e sf o rc a r b o n g l a s sb l a d e 7 3 u s to ft a b l e s t a b l e2 1t u r b i n er o t o rc h a r a c t e r i s t i c s 2 0 t a b l e2 2b l a d ed i m e n s i o n s 2 1 t a b l e2 3a i r f o i ld e s i g ns p e c i f i c a t i o n s 2 1 t a b l e4 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sm a t e r i a l su s e df o rb l a d ea n a l y s i s 4 2 t a b l e4 2i n t e r n a ls t r u c t u r a ld e s i g nd e t a i l s z 1 3 t a b l e5 1f e mg e o m e t r yp r o p e r t i e s 5 ：2 ： t a b l e5 2l a y u ps c h e d u l ef o rb l a d ea n a l y s i s 5 6 t a b l e5 3r a n k i n go fp e a kl o a dc a s e sf o r9 2 一mg x 一1 0 0 c x 1 0 0b l a d e s 一5 8 t a b l e5 4b l a d em a s sa n ds t a t i cr e s u l t s 6 5 t a b l e5 5c o m p a r i s o no ff e am o d a lr e s u l t s 6 9 t a b l e5 6l o a df a c t o r so ft h e4b u c k l i n gm o d e su n d e r6 0 m sw i n ds p e e d 7 1 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1w i n d e n e r g y w i n di sac l e a n ，a b u n d a n t ，a n dr e n e w a b l ee n e r g yr e s o u r c et h a tc a nb ee x p l o i t e dt o p r o d u c ee l e c t r i c i t y t h ep r i m a r yc a u s eo fa i rm o t i o ni su n e v e nh e a t i n go ft h ee a r t hb ys o l a r r a d i a t i o n b ya n dl a r g e ，t h ea i r1 sn o th e a t e dd i r e c t l y ，b u ts o l a rr a d i a t i o ni sf i r s ta b s o r b e db y t h ee a r t h ss u r f a c ea n di st h e nt r a n s f e r r e di nv a r i o u sf o r m sb a c ki n t ot h e o v e r l y i n g a t m o s p h e r e s i n c et h es u r f a c eo ft h ee a r t hi sn o th o m o g e n e o u s ，t h ea m o u n to fe n e r g yt h a ti s a b s o r b e dv a r i e sb o t hi ns p a c ea n dt i m e il1 t h i s c r e a t e sd i f f e r e n c e si n a t m o s p h e r i c t e m p e r a t u r e ，d e n s i t y ，a n dp r e s s u r e ，w h i c hi nt u r nc r e a t ef o r c e st h a tm o v ea i rf r o mo n ep l a c e t oa n o t h e r f o re x a m p l e ，l a n da n dw a t e ra l o n gac o a s t l i n ea b s o r br a d i a t i o nd i f f e r e n t l y ，a sd o v a l l e y sa n dm o u n t a i n s ，a n dt h i sc r e a t e sb r e e z e s t h el o c a lw i n d sa r ea l s oi n f l u e n c e db yt h eg l o b a la n dl o c a le f f e c t s ，t h el a n d s c a p eo ft h e r e g i o n t h es e a s o n a lw i n d sc h a n g ea tp l a c e si ns o u t ha s i a t h ew i n d sa r o u n dm o u n t a i n r e g i o n sd u et ot h ep r e s s u r ed i f f e r e n c e sa n dt h eh e i g h to ft h eh i l l sm a k eu pf o rt h e s ek i n d so i w i n d st h a ta r es t r o n g t h u sb a s e do nr e s e a r c hi ti sc o n c l u s i v et h a tw i n d sa c r o s st h eg l o b ea r e c o n s i s t e n t ，d e p e n d i n go nt h er e g i o na sw e l lf i g u r e1 1s h o w st h ec u r r e n t sa c r o s st h eg l o b e 2 1 f i g u r e1 1f l o wo fw i n da n dc u r r e n t sa c r o s st h eg i o b e 1 t h ef i e l do fw i n de n e r g yb l o s s o m e di n19 7 0 sa f t e rt h eo i lc r i s i s ，w i t ha l a r g ei n f u s i o no f r e s e a r c hm o n e yi nt h eu n i t e ds t a t e s ，d e n m a r k ，a n dg e r m a n yt of i n da l t e r n a t i v es o u r c e so f e n e r g y b yt h ee a r l y19 8 0 s ，i n c e n t i v e sf o ra l t e r n a t i v es o u r c e so fe n e r g yh a dv a n i s h e di nt h e u n i t e ds t a t e sa n d ，a sar e s u l t ，t h ew i n de n e r g yf i e l ds h r a n ks i g n i f i c a n t l y 2 】i n v e s t m e n t s c o n t i n u e di ne u r o p ea n d ，u n t i lr e c e n t l y ，e u r o p el e di nt e r m so ft e c h n o l o g ya n d w i n dc a p a c i t y i n s t a l l a t i o n s f i g u r e1 2s h o w st h ei n s t a l l e dw i n dc a p a c i t yi nt h ew o r l db yy e a r 4 1 f i g u r e1 2t o t a li n s t a l l e dc a p a c i t yo fw i n dp o w e r w o r l d w i d e 1 2m o t i v a t i o n t h el a r g e rt h eb l a d e ，t h em o r ei m p o r t a n ti ti st of o c u so nt h ew e i g h t ，i no r d e r t or e d u c e t h es t r e s s e so nt h et u r b i n ed u r i n go p e r a t i o n d u et ot h ei n c r e a s i n gw e i g h ta n dc o s to ft h e c o m p o s i t ew i n dt u r b i n eb l a d e s ，r e s e a r c h e r sa l lo v e r t h ew o r l dh a v eb e e ni n v e s t i g a t i n g a l t e m a t i v ec o m p o s i t em a t e r i a l sa n dp r o p e rb l a d ed e s i g n i ns e v e r a lr e s e a r c hs t u d i e s ，t h eu s e o fc a r b o nf i b e ri nt h el o a d b e a r i n gs p a rs t r u c t u r eo ft h eb l a d eh a sb e e ni d e n t i f i e da ss h o w i n g m o d e r a t ep r o m i s e sf o rc o s t e f f e c t i v e ，w e i g h tr e d u c t i o na n d i n c r e a s e ds t i f f n e s s f o ri n s t a n c e ， u t i l i z i n gc a r b o nf i b e rs p a r sf o ral a r g es c a l eb l a d e sc o u l dr e s u l ti na 38 r e d u c t i o ni nt o t a l b l a d em a s sa 1 1 da14 d e c r e a s ei nc o s tr e l a t i v et ot h eb a s e l i n ea l lf i b e r g l a s sd e s i g n - 4 1 i n g e n e r a l ，t h ew e i g h ta n dc o s to ft h et u r b i n ea r et h ek e y st om a k ew i n de n e r g yc o m p e t i t i v ew i t h o t h e rs o u r c e so fp o w e r 2 c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，r e d u c i n gt h ew e i g h to ft h eb l a d ei sas i g n i f i c a n ti t e mo fc u r r e n tr e s e a r c h t h i s i t e r a t i v ep r o c e s sa c t u a l l yi n v o l v e st h r e ea r e a so fb l a d ed e s i g nc o n s i d e r a t i o n ：a e r o d y n a m i c ， s t r u c t u r a la n dm a n u f a c t u r i n g f o re x a m p l e ，t h es t r u c t u r a ln e e dt os a v ew e i g h tw h i l ea c h i e v i n g r e q u i r e db l a d es t i f f n e s sm a yr e q u i r et h i c k e ri n b o a r da i r f o i l s t h i ss a m ee x a m p l ec o u l dr e d u c e b l a d em a t e r i a lc o s ta n d m a n u f a c t u r i n gc y c l et i m e 1 3s t a t eo f t h ea r t an u m b e ro fd i f f e r e n tc o n c e p t sf o rw i n dt u r b i n e sh a v eb e e np r o p o s e do v e rt i m e t h e f i r s tc l a s s i f i c a t i o nr e f e r st ow i n dt u r b i n e sw i t he