W复合材料风电叶片技术研究

会计学1W复合材料风电叶片技术研究一、复合材料叶片气动设计1.基本数据：翼型数据、气动力数据、整机数据、风况等2.数学模型：复合型法（风工程与工业空气动力学）Glauert优化设计法和Wilson优化设计法（风力机设计）其他设计方法（Bladed软件设计）第1页/共35页气动设计结构工艺设计材料

气动设计结果要通过结构和工艺要求进行修正弦长扭角相对厚度绝对厚度后缘厚度3.气动设计与结构、材料、工艺关系第2页/共35页4.叶片气动设计目标拟设计叶片截面弦长较大（LM），设计尖速比小拟设计叶片截面弦长较小（Aerodyn），设计尖速比大设计尖速比范围8~10*风轮叶片风能利用系数Cp>0.48*风能利用系数Cp>0.45，要求尖速比范围较大*风场的年发电量第3页/共35页5.实例1：1MW叶片气动外形设计额定功率/kW1000功率调节方式变速变桨距风场等级IECIIIA额定风速/m﹒s-1≤12叶片长度/m31风轮直径/m64.42叶根连接处半径/m1.21设计尖速比8.5风轮转速/rpm12-21.5切入风速/m﹒s-13.5切出风速/m﹒s-125翼型AE系列+NACA63

1MW叶片基本设计参数第4页/共35页设计结果-弦长、扭转角分布第5页/共35页设计结果-相对厚度分布设计结果-平面图第6页/共35页性能计算及结果-GHbladed尖速比为8.4时，风能利用系数为0.4851，在尖速比为7.5-9.7范围内，风能利用系数大于0.47。第7页/共35页轴功率曲线-GHbladed额定风速11m/s第8页/共35页三维模型软件简介：建立叶片三维模型，采用自编的CATIA二次开发软件，输入叶片弦长、扭转角、相对厚度、前缘距离桨距轴位置、预弯即可快速、准确建立三维模型，并且能快速检查、修改叶片后缘厚度等问题。第9页/共35页1MW叶片三维模型第10页/共35页6.实例2：2.5MW叶片气动外形设计设计尖速比的选择：9.5叶片长度：48.8m第11页/共35页7.实例2：2.5MW叶片气动外形设计第12页/共35页第13页/共35页第14页/共35页材料、结构与工艺

材料设计纤维/树脂/芯材

结构设计蒙皮/主梁/腹板

叶根

生产工艺灌注/预侵料

二、复合材料叶片材料设计第15页/共35页A原材料选择原则结构、工艺、成本B纤维选择玻璃纤维、碳纤维C芯材选择PVC、BALSAD树脂选择（热固性）环氧树脂、不饱和聚酯1原材料选择与复合材料性能第16页/共35页B刚度的预测

的确定的确定2单层性能的确定A单层树脂含量的选择

第17页/共35页纵向拉伸强度C强度的预测

纵向压缩强度第18页/共35页3复合材料层合板设计A层合板设计的一般原则铺层定向原则、顺序原则、变厚度设计原则B等代设计法层合板材料替代以满足强度或刚度C主应力设计法层合板材料主方向与主应力方向一致D层合板优化设计法满足某种约束条件使层合板质量最轻第19页/共35页A满足连接设计和层合板设计的要求B满足强度和刚度的要求按使用载荷设计C满足复合材料失效准则的要求失效准则适用于单层D满足工艺性的要求1结构设计的原则三、复合材料叶片结构设计第20页/共35页2结构设计的基本原理承担叶片绝大部分弯曲载荷单轴布铺层主梁设计准则设计理论极限强度梁理论蒙皮腹板设计理论双轴布铺层防止单轴布层开裂提供主要剪切强度经验公式蒙皮设计理论三轴布铺层提供部分剪切强度防止叶片表面凹陷经验公式第21页/共35页3叶片结构设计结果Sinoma叶片的外形与截面型式1.5MWSinoma40.21.0MWSinoma31第22页/共35页1材料的许用值与安全系数

材料特征值材料安全系数材料许用值局部安全系数静强度分析安全系数疲劳分析安全系数四、复合材料叶片结构分析第23页/共35页2结构模型叶片的结构坐标系（GL2003）第24页/共35页整体有限元模型截面有限元模型叶片的有限元模型第25页/共35页分析方法采用载荷计算软件Bladed进行载荷计算采用有限元软件ANSYS和ABAQUS进行结构分析与优化设计分析类型模态分析：固有频率与预应力模态分析变形分析：叶尖最大挠度分析静强度分析：应力-应变分析纤维失效分析：纤维方向和纤维层间失效分析稳定性分析：叶片整体与局部稳定性分析叶根螺栓连接分析：螺栓强度与螺栓寿命分析疲劳分析：叶片寿命分析3结构校核分析第26页/共35页分析实例Sinoma31叶片结构分析Sinoma40.2叶根螺栓连接分析4结构校核分析实例模态分析

一阶挥舞频率0.924HZ(55.4rpm)一阶摆振频率1.708HZ(102.5rpm)第27页/共35页静强度分析根据bladed载荷计算报告，按照最终极限载荷对叶片进行静强度分析校核。叶片某段的局部应力图该段叶片迎风面主梁(UD)应力图第28页/共35页纤维失效分析失效准则：最大应力准则（简单直观）纤维方向失效指数垂直纤维方向失效指数纤维层间剪切失效指数纤维层粘接失效分析指数

纤维方向失效分析第29页/共35页编号截面(m)屈曲因子编号截面(m)屈曲因子11.21479.041216.711.2922.11292.471318.261.3732.76128.221419.811.4144.3114.491521.361.4755.8610.051622.911.5567.416.291724.461.4878.963.761826.011.39810.512.821927.561.44912.062.062029.111.451013.611.742130.662.621115.161.522232.2183.34*局部稳定性分析

叶片局部失稳图(L=27.9m，屈曲因子=2.738)表3-2各截面的失稳屈曲因子（含安全系数）第30页/共35页叶根螺栓连接分析叶根螺栓连接分析包括连接螺栓的静强度分析和叶片根部玻璃钢强度分析，采用工程算法和ABAQUS有限元算法对叶根螺栓连接强度进行分析。

叶根连接的有限元模型十字头螺栓的应力变化图

第31页/共35页部

件计算部位剩余系数失效系数双头螺柱光杆拉伸1.56/双头螺柱和十字头螺栓的螺纹弯曲1.1/剪切1.12/挤压1.25/十字头螺栓弯曲和剪切2.5/叶根玻璃钢挤压5.6/3AX三轴布单层强度/0.0055双轴布单层强度/0.377*叶片根部最小剩余强度系数表叶片根部最小剩余强度系数均大于1，螺栓连接安全可靠，满足设计要求；叶片根部纤维布最大失效系数均小于1，根部连接安全可靠，满足设计要求。第32页/共35页截面编号剩余安全系数1-21.1131.2841.2751.2261.2471.3381.2991.36101.36111.35121.35131.41141.32