MW风力发电机复合材料叶片结构力学特性分析

《MW风力发电机复合材料叶片结构力学特性分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第33卷第6期可再生能源Vol.33No.62015年6月RenewableEnergyResourcesJun.20155MW风力发电机复合材料叶片结构力学特性分析胡国玉，孙文磊，董平（新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047）摘要：大型风力发电机复合材料叶片的强度、刚度和抵抗屈曲等结构力学特性对风机的性能及寿命有重要的影响。文章结合MATLAB和ANSYS有限元建模方法，建立了含有铺层信息的复合材料叶片三维有限元模型，对5MW风力发电机叶片进行了静态结构力学特性分析；定义了两种极端运行工况，分析和计算了极

2、端工况载荷作用下的叶尖位移及力学特性，得到了应力最大的关键区域及屈曲特征。将仿真分析结果与FAST软件计算结果进行对比，验证了该方法的有效性，为进一步地分析和铺层厚度优化提供了可行的方法和参考依据。关键词：风力发电机；复合材料叶片；有限元分析；屈曲特征中图分类号：TK8；TM614文献标志码：A文章编号：1671-5292（2015）06-0871-05DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.06.0110引言型；分析了施加相应工况载荷作用下的叶片结构近年来，海上风电场的开发加快了大

3、容量风力学特性；得到了应力最大的关键区域以及屈曲电机组的发展，我国的5MW海上风电机组已成特征；为进一步地分析和铺层厚度优化提供依据。功投入运行。在兆瓦级风电机组中，叶片作为捕1叶片模型捉风能的关键部件，在很大程度上决定了机组的本文研究的风机叶片所属风机模型为美国国性能和价格。风机叶片在它目标寿命20a中，会家可再生能源实验室（NREL）公开发表，用于研究经受一系列复杂的载荷和极端工况环境，这些载比较的5MW海上风机模型。该风机属于IEC1A荷不同程度地影响风机叶片寿命。目前，叶片结风类的水平轴风力发电机，其主要特

4、性：额定功率构设计规范主要建立在IEC国际标准和德国GL5MW；叶片数3；叶轮旋转方向为上风向；叶轮直标准基础上，要求结构满足静力强度、疲劳强度和径为126m；轮毂直径为3m；轮毂高度为90m；叶尖挠度要求。切入风速3m/s；额定风速11.4m/s；切出风速25目前,商品化的大型风力机叶片大多采用复m/s；叶轮切入转速6.9r/min；额定转速12.1r/min；合材料。复合材料叶片的广泛应用显现了其在减额定叶尖速度为80m/s；轴倾角为5°；预锥角为轻重量、改进结构和提高空气动力性能方面的创2.5°。新优势。但是

5、，复合材料的多层结构和各向异性JJonkman提供了该风机参考叶片的气动的特点，使其结构复杂性远远大于一般匀质各向特性、翼型、挥舞及摆振刚度、质量分布和惯性同性材料。复合材料叶片的强度、刚度及抵抗屈力矩等外部形状信息，但没有给出叶片材料及[1]曲等结构力学特性对风机的性能及寿命具有重要相应的铺层信息。RNijssen提供了5MW风影响。机参考叶片的复合材料层板铺层的详细信息，本文结合3-D有限元分析方法，对5MW风这个材料的铺层设计通过逆向工程与NREL叶[2]力发电机叶片进行了静态结构分析；定义了不同片特性相匹配

6、。工况载荷，并用气弹软件提取相应作用载荷；建立风力发电机叶片是由复合材料制成的薄壳结了含有铺层信息的复合材料叶片三维有限元模构，一般由根部、外壳和主梁3部分组成，复合材收稿日期：2014-11-17。基金项目：国家自然科学基金项目（51065026）；新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（2011211A002）。作者简介：胡国玉（1977-），女，副教授，研究方向为风机结构动力学。E-mail：xjhuguoyu@126.com通讯作者：孙文磊（1962-），男，教授，博士生导师，研究方向为CAD/CAE/CAM工程

7、及应用技术。E-mail：sunwenxj@163.com·871·可再生能源2015，33（6）料重量一般占整个风电叶片重量的90%以上。主TOT=（ΣForcNz）2+（ΣForcTz）2+（ΣP）2momt姨iiiimomti梁是叶片的主要承载结构，采用单向增强复合材料层，以提高强度与刚度。腹板为夹芯结构，对主（2）梁起到支撑作用。蒙皮采用双轴增强复合材料层，其中：FrocT为垂直于叶轮平面的气动力，N，由主要提供气动外形，并承担大部分剪切载荷。后FAST计算得出；ForcN为与叶轮平面相切的气动缘采用夹芯结

8、构，空腔较宽，能提高其抗失稳能力，N；Pmomt为气动俯仰力矩，Nm；z为叶片展向距力[3]。文献[2]给出了本文所需要的叶片复合材料离，m。和铺层信息。叶片截面铺层结构如图1所示。通过FAST计算得到TOTmomt各个分量幅度：平面外的力矩约为107Nm；平面内的力矩约为后缘[5]后缘UD106Nm；俯仰力矩约为104Nm。后缘夹芯板在极端阵风载荷工况下，