DDL型叶片结构与工艺设计—DDL型叶片结构设计开题报告

编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 相 关 资 料 题目： 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 0923191 学生姓名： 邵亦飞 指导教师： 宋广雷 （职称： 副教授 ） 2013年 5月 25日 目 录 一、毕业设计（论文）开题报告 二、毕业设计（论文）外文资 料翻译及原文 三、学生 “毕业论文（论文）计划、进度、检查及落实表 ” 四、实习鉴定表 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 开 题 报 告 题目： 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 0923191 学生姓名： 邵亦飞 指导教师： 宋广雷 （职称： 副 教授 ） 2012年 11月 12日 课题来源 实验室课题 科学依据 （包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等） （ 1）课题科学意义 叶片结构 设计 是风力机设计工作的一项重要环节 ,特别是对于大中型风力机其意义更为重大 风力机经常运行于海边或偏僻的山顶野外 ,环境严酷 在我国某些地区运行的风力发电机组要承受更恶劣的环境条件 ,如东南沿海地区经常发生台风 ,中国北方冬季的低温等等 目前我国运行的风力机依然主要从国外进口 ,这些风力机不完全适应于我国的气候条件 ,以至于风电设备损坏和故障 时有发 生 ,这就要求我们必须对风力机叶片进行结构分析 ,找出其最易损坏的部位 ,为设计提供一种依据 ,从而不断改进叶片适应不同环境的能力因此 ,本课题的研究将对国产化风力发电机组自主设计开发工作起到一定作用 。 （ 2） 叶片结构设计的研究现状和发展前景 目前 ,国内对风力机叶片结构设计的研究相对较少 ， 基本 的研究 都是将叶片当作悬臂梁来进行应力 、 应变 、 变形等计算 ,来验证叶片设计的合理性 ,由于是按照经典理论进行计算 ,因此计算十分繁琐 ,而且所做的简化过多 ,一定程度上影响叶片的设计质量 对风力机 主要是对叶片的动 力学分析 ,而叶片动力学分析集中在模态计算而很少对叶片进行稳定性分析 (屈曲分析 )。 根据可再生能源中长期发展规划 (2010 一 2020 年 ),我国将通过大规模的风电开发和建设 ,促进风电技术进步和产业发展 ,实现风电设备制造自主化 ,尽快使风电具有市场竞争力 在经济发达的沿海地区 ,发挥其经济优势 ,在三北 (西北、华北北部和东北 )地区发挥其资源优势 ,建设大型和特大型风电场 ,在其他地区 ,因地制宜地发展中小型风电场 ,充分利用各地的风能资源。 研究内容 在已有气动设计数据的基础上 ,对某风力机叶片进行了详细的结构 设计 ,包括载荷的计算 、 材料的选用 、 结构形式的确 、 铺层设计等 ； 讨叶片有限元模型的建立方法 ,利用各截面翼型数据 ,借助参数化语启一程序实现几何模型的建立 !复合材料铺层的模拟以及划分网格建立有限元模型 ； 在对叶片进行前处理的基础上 ,本文将根据有限元分析理论进行叶片的强度 、 刚度 、模态和稳定性分析 ,得到其应力 、 应变 、 振型 、 频率等相关参数 ,校核其是否满足设计要求 ； 叶片的动力学分析 本文基于气动弹性理论 ,通过动力学基本方程的建立 ,利用限元 分析软件对叶片进行振动模态分析 ,可以很容易得到叶片的多阶固有频率和振型 ,结合叶片断裂的问题分析 ,为叶片的结构设计提供了参考依据。 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 （ 1）实验方案 考虑叶片实际连接情况 ,将其视为刚性连接 ,对叶片根部采用全约束简化为悬臂梁进行强度和刚度分析 考虑到叶片模型为壳体结构 ,通过将计算的弯矩载荷等效为线性分布力载荷的方案进行加载 ,最终进行叶片强度和刚度分析 通过分析发现其叶尖位移变形最大 ,叶根应力最大 ,但均未超过极限值 , 设计符合要求 （ 2）研究方法 在载荷计算和加载过程中 ,通过软件模拟风况与实际风况具有一定差别 ,加载方式采用将计算弯矩等效为线性载荷的方式施加于有限元模型上 , 大变形等非线性因素的影响 。 研究计划及预期成果 研究计划： 2012 年 10 月 13 日 12 月 20 日：按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书。 2013 年 1 月 11 日 3 月 5 日：填写毕业实 习报告。 2013 年 3 月 7 日 3 月 15 日：按照要求修改毕业设计开题报告。 2013 年 3 月 17 日 3 月 21 日：学习并翻译一篇与毕业设计相关的英文材料。 2013 年 3 月 22 日 4 月 11 日： 叶片载荷工况计算 。 2013 年 4 月 12 日 4 月 25 日： 叶片铺层设计 。 2013 年 4 月 26 日 5 月 21 日：毕业论文撰写和修改工作。 预期成果： 对风力机风轮叶片结构设计方法的分析研究 ,得出了通过有限元分析软件进行优化铺层的设计分析方法 ，并且本文首次将有限元屈曲分析方法用于风力机叶 片稳定性分析计算中 ,并取得了一定效果 ,同时采用命令流的方式进行叶片的屈曲分析 ,提高了效率 为今后这方面的工作起了抛砖引玉的作用。 特色或创新之处 综合国内外多种文献 ,整理现有叶片模型基础上 ,对叶片的制造工艺发展进行了总结 ,根据所选材料的不同对叶片进行了分类 ,特别分析了叶片剖面的结构 。 考虑叶片实际连接情况 ,将其视为刚性连接 ,对叶片根部采用全约束简化为悬臂梁 进行强度和刚度分析 考虑到叶片模型为壳体结构 ,通过将计算的弯矩载荷等效为线性分布力载荷的方案进行加载 ,最终进行叶片强度和刚度分析。 已具备的条件和尚需解决的问题 对叶片进行强度和刚度分析时 ,可对更多载荷工况的组合进行分析 ,比较不同因素对叶片应力 、 应变的影响 ,更好地对设计提供理论依据 本文只是针对单叶片进行了模态分析 ,待整个风轮甚至整个风力机结构设计完整后 ,应该进一步得到风轮的模态振型 ,其他关键机构的动力学分析 ,这样可以分析整个系统的共振情况且得到的结果更接近实际 。 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 教研室（学科组、研究所）意见 教研室主任签名： 年 月 日 系意见 主管领导签名： 年 月 日 英文原文 is an of is to of by of of to to to is a to of of to of 0% % is to is as a of in in 0 of is s 000, of of to TM 005 1407t, 3253MW an 0%; a 2000000000 4000000000 by 005, s 92634%9 at 8 of to of of on is of is by of of an in of on is on of of so in of is c on is of of on of to to of to at is to of is a ! Of to of on of of of of to of In to to of of is in to to in of by of of is of is of is in of of to of of is on of of to a Y FX in on to of in of of of to by of to in a in of be is to as it FD to by of is it is as of by to no is a of of of on at to to of in of is on 351, is on in of of of on of of a of of of i n up a of of of of of of on of of of on of by of to at be is of 4s, or of if of of of of on of to in on to to of to RP of W, to as in or at is an or by a to is in is of of is is a of of by in by TM of of to is in of to of to of is to in MW a of of of of to as of of of in of in to at TM is in 中文译文 叶片结构与工艺设计 能源是经济和社会发展的重要物质基础 。 社会工业化以来 ,世界能源消费剧增 ,煤炭 、 石油 、天然气等化石能源资源消耗迅速 ,生态环境不断恶化 ,特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化 ,人类社会的可持续发展受到严重威胁 。 随着人类社会的发展 、 科技的进步以及日益严重的资源和环境问题的挑战 ,世界能源结构开始经历第三次大的变革 ,即从煤炭 、 石油 、天然气为主的能源系统 ,开始转向以可再生能源为基础的能源系统 。 风能是一种清洁的可再生能源 据世界气象组织 (析 ,全球总风能为 3中可利用的风能为 2因此 ,开发和利用风能资源 ,不仅可以寻找新的替代能源 ,而且有利于环境保护 地球接 受的太阳辐射能大约有 20%转化成风能 ,全球风能总量如果 1%用来发电 ,就能满足全部能源消耗 风能是地球与生俱来的资源 ,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 ,在全球的新能源和可再生能源行业中创造了最快增速 在过去的 10 年间 ,风电发展不断超越其预期的发展速度 ,而且一直保持着世界增长最快的能源的地位 2000年以来 ,全球风电装机容量年平均增长率为 根据丹麦 告 ,2005 年全世界新增风电装机容量 11407MW,t 比 上年增加了 3253长了 40%;新增风电总投资达 120 亿欧元至 140 亿欧元 截至 2005 年底 ,世界风电装机容量为 59263比上年增长 24%9目前 ,己有 48个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规 ,政策法规对风电发展起到了至关重要的作用 风力机叶片是风力机中最基础和最关键的部件 ,其良好的设计 !可靠的质量和优越的性能是保证风力发电机组正常稳定运行的决定因素 从这一层面上讲风轮叶片的设计在风力发电机组中占有不可估量的地位 。 风力机叶片设计根据不同的理论及其修正理论有许多设计计算方法目前主要有 :贝茨理论 , 其中简化设计理论是基于圆盘理论 ,原理及模型最简单 ,但因简化因素较多 ,故设计精度较差 ,在设计小型风力机是可以采用 ; 论 、 型和 型基于涡流理论 ,设计精度相对较高 ,适合于设计大型风力机 ;现在设计多采用基于涡流理论的设计模型 如 论考虑了风轮后涡流流动的叶素理论 ,但忽略了叶片翼型阻力和叶梢损失的影响 ;论对论作了改进 ,研究了梢部损失和升阻比对叶片最佳性能的影响 ,还研究了风轮在非设计状态的性能 ,因而 ,该理论广泛用于叶片气动性能的计算 . 风力机设计是一门综合技术 ,涉及到空气动力学 !结构动力学 !气象学 !机电工程 !自动控制 !计算机等专业技术 我国对风力机设计技术主要进行了风力机空气动力设计和计算方法 ,风力机结构动力计算和分析方法 ,风力机玻璃钢叶片设计方法 ,风力机变速恒频技术 ,风力机自动控制技术 ,风力机调 (限 )速特性 ,风力机调向特性 ,风力机计算机辅助设计和软件包开发等研究工作 ,取得了较快的进展 近年来 ,工程设计师们都倾向于把结构材料利用到极限 ,使得各种结构越来越轻巧 ,以增加有效载荷 ,从而获得更大的经济效益 但这样一来 ,结构的挠性就 增大 ,气流诱发的结构振动就严重了 随着科学技术的普遍发展 ,飞行器的速度及其动力机械部件运转的速度越来越快 ,地面建筑结构越来越高 ,桥梁跨度也越来越大 ,风力发电机组叶片越来越长 ,在空气动力作用下这些薄壁件都是很好的弹性体 ,极易变形而出现颤振 即结构与气流藕合振动问题的严重性在不断增长 . 随着风力机的发展 ,叶片的研究主要是集中在叶片翼型的研制和结构分析 其中叶轮叶片在满足空气动力学的基础上已设计出 Y 型 、 、 、 双羽型叶片 在国内 ,风力机翼型最有代表性的是 列 由于缺乏风力机专用新翼型的几何参数和气动性能参数 ,这也直接影响了我国大型风力机气动设计水平对于翼型研制方面 ,近十几年来 ,随着计算流体力学 (平的提高 ,各种叶片几何优化的方法开始出现 ,采用数值计算方法 ,各截面气动参数的准确确定 实现在一定输出功率下的最佳叶片的几何形状和气动设计 气动设计的新方法可分为两大类 :一类是直接数值优化方法 ,简称为最优化 设计方法 ,它将 最优化方法结合起来 ,通过几何形状的不断修正来寻求目标函数的极值 另一类是反设计方法 ,它是首先给定希望达到的气动状态 (如压力分布 ),通过 几何和流动的控制方程 ,逐步逼近给定的气动状态 ,求得满足给定流场的气动翼型 ,它克服了传统翼型设计方法的许多缺点 。 结构分析中 ,主要包括了动力特性的分析 ,稳定性分析 ,疲劳分析 叶片气动特性分析计算大都采用类似直升机机翼的经典方法 ,考虑面外挥舞 !面内摆振和扭转模态的组合 导了没有预锥的扭转非均匀桨叶的挥舞一扭转自由度祸合微分运动方程川 某些非线性项对气动弹性的影响是很重要的 ,国内外研究者根据一定的物理假设对这个复杂的物理问题进行简化 ,发展了许多简化解法的工程模型 ,推导了含有非线 性项的运动方程导了适用于风轮桨叶的气动载荷 ,用非祸合的非旋转模态研究了其气动弹性稳定性问题 351,K用非祸合的旋转模态对该问题进行了研究 ,在计算过程中 ,忽略了叶片和塔架的祸合效应 ,对非线性方程进行线化处理 ,得出了风力机叶片的静态响应及其稳定性边界 ,与试验结果相比偏于保守 。 用半刚性模型研究风轮的气动弹性稳定性问题 非线性半刚性模型研究了桨叶气动弹性响应和稳定性问题李本立和安玉华建立风力机转子叶片的非线性运动方程 ,采用模态法 求解挥舞 !摆振 !扭转微分方程并应用了数值结果对风力机的气动弹性稳定性进行了分析 。 曹人靖 !刘冥建立了基于压力表示法的水平轴风力机风轮气动弹性稳定性敏感性分析方法的物理与数学模型 ,综合考虑了风力机风轮的气动与结构参数对气动弹性稳定性的影响 从制作叶片的工艺上讲 ,目前的大 !中型风机叶片基本上采用蒙皮与主梁的构造形式 ,通过多步成型工艺制备 ,即先分别制作叶片的上 !下外壳和龙骨梁 (腹板 )后 ,再粘成一体 由于粘接处的强度远低于壳体本身的强度 ,使叶壳性能得不到充分发挥 ,类似开口薄壁梁远不及闭口薄壁梁的承载能力 单腹板 支撑的叶壳易发生失稳破坏 4s,多个梁或腹板则须增添更多模具 这无疑会增加成本 ,降低叶片的利用率 因此 ,如果采用整体一次成型制备中空叶片 ,可有效减轻重量 ,降低成本 ,提高叶片的整体力学性能 、 这就需要对这种新型叶片结构进行极限分析并在此基础上实现合理设计 ,因为传统叶片以龙骨梁 (腹板 )为主承力件 。 大型