基于气动弹性剪裁的大型风力机弯扭耦合叶片力学性能分析

为分析弯扭耦合叶片的力学性能,基于三维建模软件NX二次开发建立NREL 5 MW风力机叶片壳体模型,进一步对叶片进行复合材料铺层设计,通过镜像偏置主梁纤维实现叶片气动弹性剪裁,采用CFD方法计算叶片表面压力分布,结合有限元方法对其进行模态、静力学及屈曲计算,以研究主梁偏置角度对弯扭耦合叶片力学性能的影响.结果 表明:当主梁偏置角度较小时,弯扭耦合叶片表面最大应力小于传统叶片,其中以偏置角度为-15°时效果最佳,表面最大应力降幅最高为14.78％;相比传统叶片,弯扭耦合叶片各阶固有频率及屈曲因子均有所降低,且正向与反向偏置同角度的叶片固有频率和屈曲因子下降量较接近,主梁偏轴镜像铺设对叶片挥舞振动影响较大;主梁偏置角度对叶片抗屈曲能力产生一定影响,叶片临界屈曲载荷最大降幅约为78％;应重点关注弯扭耦合叶片固有频率及屈曲因子,以避免叶片固有频率与激励频率接近而产生共振,必要时可优化铺层结构以提高叶片抗屈曲能力.     

基于ANSYS的10 MW风力机叶片弯扭耦合特性研究

为分析弯扭耦合效应对大型风力机叶片气动性能的影响。文中使用三维有限元软件ANSYS建立了10 MW复合材料风力机叶片模型,通过改变梁帽位置单轴向布的铺层角度在叶片中引入弯扭耦合效应,改变铺层角度和耦合区域,分析叶片在气动载荷作用下的变形情况。结果表明:叶片在弯扭耦合作用下产生弯曲变形的同时会发生扭转变形,沿叶片展向变形量增加;该叶片可达到的最大扭转变形量为6度;弯扭耦合系数随着铺层角度的增大而减小。     

基于主梁腹板构型的大型风力机弯扭耦合叶片结构性能研究

为研究主梁腹板偏转对弯扭耦合叶片模态、强度及屈曲特性的影响，以NREL 5 MW风力机叶片为研究对象，基于NX二次开发建立叶片CAD模型，采用CFD方法求解叶片气动载荷并映射至有限元模型进行流固耦合分析。结果表明：弯扭结构耦合叶片各阶固有频率低于传统结构叶片，降幅和减载效果与腹板偏转角有关；压力面主梁向前缘偏转时叶片切应力均小于传统叶片，反向偏转时叶片表面等效应力及应变随偏转角增加而增大；叶片叶尖位移随腹板偏转程度增加而增大；压力面主梁向前缘偏转可提升叶片临界屈曲载荷，反向偏转时各叶片临界屈曲载荷均小于传统结构叶片。     

水平轴潮流能水轮机复合材料叶片自适应性研究

叶片是水轮机中潮流能向机械能转化的核心部件,直接影响水轮机的水动力性能和结构性能。以水平轴潮流能水轮机复合材料叶片为例,基于复合材料弯扭耦合理论,采用双向流固耦合方法研究了叶片的自适应性。结果表明,采用对称铺层方式的复合材料叶片,可提高水轮机的能量利用率,并在较大的速比范围内使水轮机保持较高的效率;降低叶片上的应力集中,可改善结构性能;对称铺层可利用叶片的弯扭耦合特性,使叶片具备自适应性,从而提高水轮机的水动力性能和结构性能。     

风力机预弯叶片多目标优化设计

在风力机预弯叶片的设计中,叶片弦长扭角分布、铺层结构与弯曲型线之间存在着复杂的耦合设计关系,具有良好性能的叶片不仅要求年发电量高、重量轻,而且要求对主机产生的载荷小。为了使设计叶片在其生命周期内能经受各种复杂的工况,文章提出在组合危险工况下进行叶片的极限设计载荷计算,基于提出的叶片预弯型线设计方法构建了预弯叶片的气动外形和铺层结构一体化优化设计模型,以叶片的年发电量最大、质量最小和对主机的载荷最小为目标,以叶片的气动外形及叶片铺层结构的关键参数为设计变量,在满足材料强度、叶尖最大变形、振动频率的约束条件下,采用多目标粒子群算法(MOPSO)对现有的某1.5 MW风力机叶片进行优化设计。结果表明,优化设计得到的叶片Pareto最优解集可满足主机不同的匹配需要,对最优解集叶片进行分析,挑选得到了综合性能比原1.5 MW风力机叶片均有较大提高的新叶片。     

汽轮机长叶片弯曲与轴系扭转耦合振动研究

为了研究汽轮机轴系扭转振动过程中长叶片弯振与轴扭振之间的耦合影响,参考某汽轮机轴系以及末级叶片的结构和材料数据,分别建立了3种有限元模型:叶-盘模型、简化轴系模型和带一级末级叶栅的叶-轴耦合模型,分析了这3种模型在静止和工作转速下的模态振动特征.结果表明:在叶-轴耦合模型中存在叶片模态、轴振模态和耦合模态3种不同的振动模态,这些模态体现了叶片弯振对轴系扭振的影响;受轴系扭振影响,叶-轴耦合模型中叶片的振动特性与叶-盘模型中相比存在一定的差别,但这种差别并不显著;从叶片安全角度考虑,设计时应同时考虑叶片静频和动频,并以叶片振动特性为基础,着重考虑叶-轴耦合时的振动特性,以避开工频波动可能带来的危害.     

考虑翘曲效应的风力机叶片弯扭耦合特性计算方法

为了研究截面翘曲对大型风力机叶片弯扭耦合特性的影响,分别建立考虑翘曲效应和不考虑翘曲效应的梁模型,并对叶根截面、翼型截面特性进行了计算,表明考虑翘曲效应的梁模型在计算叶片截面刚度时得到的结果更准确。采用考虑翘曲效应的方法计算了5 MW风力机叶片的截面刚度,分析了叶片梁帽铺层角度对风力机叶片弯扭耦合特性的影响。结果表明,无论是否考虑翘曲效应,获得最大弯扭耦合特性的梁帽铺层角度都为20°;在同样的梁帽铺层角度下,翘曲效应对叶片不同部位(特别是在翼型过渡区域及气动翼型区域)的弯扭耦合系数影响很大。     

5 MW风力机叶片模态特性分析

为了研究叶片铺层和主梁形式对大型自适应叶片动态特性的影响,利用Ansys软件建立了5 MW风力机叶片的有限元模型.对不同梁帽铺层角度和主梁形式的叶片进行了模态分析,给出了各模型的前十阶固有频率和振型,分析了叶片梁帽铺层角度、主梁形式和转速对风力机叶片固有频率的影响.结果表明：叶片梁帽铺层角度和叶片主梁形式对固有频率具有重要影响;在叶片的弯扭耦合设计过程中,要考虑设计参数对叶片模态特性的影响,以避免叶片发生振动性能失效.     

风力机预弯叶片结构与静气弹性参数化有限元分析方法研究

构建了风力机预弯叶片气动外形和铺层结构的参数化表达模型,采用MATLAB与ANSYS APDL相结合的方法对复合材料预弯叶片进行参数化有限元建模、加载和结构分析,并以某1.5 MW预弯叶片为例验证了该方法的正确性;基于修正的叶素动量理论和气动载荷参数化分布加载方法,对风力机预弯叶片的静气弹性进行分析和研究,结果表明预弯叶片的展向变形有助于叶片气动功率的提高,而叶片扭转变形造成风力机实际气动功率的降低,根据叶片的计算扭转变形,在叶片的设计中增大叶片的预扭转角度可避免叶片因弹性扭转变形造成的设计功率偏离。研制了风力机叶片结构性能和静气弹性分析工具(WTBSA),为预弯叶片的多学科优化设计奠定了基础。     

转子的弯扭耦合振动研究

利用预应力法研究转子的弯扭耦合振动,计算了在弯扭耦合振动过程中转轴上的最大应力.分析了弯扭耦合振动的原因.