风机叶片的应用及其强度理论校核毕业论文

多轴向织物风机叶片的应用及其强度理论校核摘要：风能的大规模的开发与应用正符合我国可持续发展道路。随着叶片的加长，其重量也在不断增加,按传统的材料制作已达到吨的数量级,叶片运行后由于尖速比的存在,使得叶片根部受到的离心力很大。当风力大到一定程度时,叶片的受力模型为一悬臂梁结构,因此加长型的风力机叶片材料必须是高强高模轻质型的,否则叶片的寿命将会缩短。多轴向织物正是这些优良材质的载体，在加长叶片长度的同时，我们又不得不考虑其强度问题，若在加长叶片长度的时又能满足其强度要求，那么多轴向织物确将会成为未来风能发电机叶片设计制造中的首选材料。关键词：风机叶片；多轴向织物；强度校核多轴向经编织物的结构多轴向经编织物是由经编针织系统固定在一起的基布,由一层或多层平行伸直的纱线层组成,每层纱线可以排列在不同的方向,每层纱线的密度可以不同,并可以与纤维网、胶片、泡沫材料或其他材料结合,共同形成三维网络整体结构。利用此技术这种技术,平行伸直、无卷曲的纱线垂直或以所需的角度被引入织物结构中,实现最有效的结构预设计定向增强。多轴向经编织物在0°、90°、±θ角的方向都有增强纱线。θ角可以在30～90°之间变化。多层纱片由经平组织或编链组织绑缚在一起。多轴向织物实质上是一种多层织物。纤维铺设在面内不同方向(衬纱系统)及沿厚度方向(绑缚系统),形成由纤维束构成的三维网络整体结构。图2是典型的多轴向经编成品。多轴向经编织物的特点a织物的抗拉强力高。b织物的弹性模量高。c织物的悬垂性好。d织物的抗剪切性能好。e织物的抗撕裂性能好。f织物的抗弯能力高。g织物的抗冲击能力高。h织物形成复合材料的纤维含量较高。i经编多轴向织物的抗脱层强力较高。j准各向同性特点。多轴向织物由各不同角度铺层的纱线层合而成,由不同取向的经纱层承担各个方向的负荷。k铺设性和预成型性好。l经编多轴向织物的原料范围广。三、多轴向经编织物在风力机叶片中的应用经编多轴向织物采用玻璃纤维和碳纤维作为叶片的主要材料。叶片是主梁和表面蒙皮通过粘胶的制造工艺完成。表面蒙皮分为上蒙皮和下蒙皮,它们覆盖于主梁之上,主梁的剖面造型总体相似,如有玻璃纤维覆面的蜂窝芯结构、玻璃纤维面的空心梁和金属肋和金属片覆面的空心梁。蒙皮的性能的好坏直接影响到叶片的寿命,传统材料制作的蒙皮表面出现一微小裂纹则其耐疲劳性大大降低,小裂纹随之发展为大裂纹直至叶片的破坏。而多轴向经编织物则是发挥玻璃纤维或者碳纤维优良性能的一个平台,它用于蒙皮之中能完全适应大型叶片对蒙皮的各项性能要求。叶片的各个区域受力情况不同,叶片各部位要求的厚度也不一样,多轴向经编织物铺的层数就不同。性能要求高的区域纱层多,非主受力区域铺的层数略少,以节省原料成本。多轴向织物在织造过程中所使用的地组织起固定纱线的作用,同时具有良好的抗分离性能和抗撕裂性能,又易于编织,因宜选择低模高强的纤维。叶片强度校核3—1通过建立的叶片有限元模型，该叶片应用于风光互补风力发电设备，叶片全长1250mm，功率400W，额定风速7m/s。在额定风速工作状态下，叶片受力有重力、离心力和来流气动力。所受风载可分解为垂直于风轮平面的法向力和作用于风轮平面内的切向力。由于叶片截面为扁平状，切向力产生的弯矩对叶片的弯曲和强度影响很小，可以忽略不计。故强度分析中仅考虑法向力，通过沿叶片展向的分段积分将法向分布力转化为若干集中载荷，并施加于梁模型对应位置的单元节点上，即为叶片所受的实际风载，节点集中力载荷的数值见表3-2。当叶片转转至水平位置，重力方向与叶片径向垂直，将在各截面引起弯曲应力，故选择该时刻分析重力对叶片弯曲的影响，叶片所受重力可以通过对模型施加惯性加速度来实现。由于离心力大小仅为重力的1/8，并且方向沿叶片的径向，可以忽略不计。小型风力机叶片由螺栓直接固定于转轴，因此可以认为根部固定端各个节点自由度全约束。最终的有限元计算模型如图3-3所示。表3-2沿400W叶片展向的集中力分布Table3-2Spanwisedistributionofintegratedforcewiththe400Wblade.图3-3最终的叶片有限元模型Fig.3-3thefinalFEmodelwithboundaryconditions图3-4为Mises应力的分布云图，由图可知叶根及叶片中部出现应力集中，这两位置也是叶片最容易出现疲劳损坏的位置。最大应力发生在叶片中部位置，约为max19.8MPaσ=。该值远低于玻璃钢材料的拉伸强度325Mpa..图3-4叶片的Mises应力分布图Fig.3-4theMisesstressdistributionoftheblade图3-5为叶片的法向位移分布，叶尖处的法向最大位移为max64.75yDmm=。该值远小于风轮旋转平面与风力发电机支撑杆的水平间距，叶片不与其发生干涉，可以安全运行。.图3-5叶片的法向位移分布图Fig.3-5thenormaldisplacementdistributionoftheblade从梁模型与叶根3D模型联接端面开始到叶尖末端，弯曲应力沿叶片展向的分布如图3-6所示。弯曲应力极值出现在距叶尖400mm处，其值为max12.8MPa，该极值也远低于材料的拉伸强度352MPa。.图3-6叶片梁模型弯曲应力分布图Fig.3-6thebendingstressdistributionofthebladebeam通过将风载等效为多点集中力载荷，并考虑在叶片处于水平位置时受重力，进行了有限元强度分析。结果表明在额定风速下，叶片根部固定端与叶片的中段部分出现应力极值，是最容易出现结构损坏的部位，但应力值远低于材料的拉伸极限，是安全的。通过有限元分析验证了叶片设计的可行性。此方法简单有效、便于施加力边界条件，提高了计算分析效率，可应用于风机叶片在各种工况下的强度分析。结束语：叶片材料选择以后,就是对材料的组合利用。就性能优势而言,多轴向结构是最优良的组合方式,它有着其他组合方式不可具备的性能,是发挥玻璃纤维和碳纤维性能的最好平台。我国的风力发电研究起步较晚,多轴向织物在叶片中的应用很少,但发展迅速,相信随着叶片的不断加长,多轴向织物在叶片中的应用将会有非常广阔的前景。通过前后不同的强度校核都验证了材料都满足强度要求。故以玻璃纤维和碳纤维为主的多轴向织物风机叶片满足强度要求，所以多轴向织物确实是一种应用于风机叶片的好材料。高强度、低重量是社会发展对材料提出的最新要求,多轴向经编织物是目前满足这一要求的最佳方法。参考文献：[1]SHERWOODK．Blademanufacturingimprovementproject：finalreport，SAND2002—3101，Oct．2002．[2]HUANGZM．Simulationofthemechanicalpropertiesoffibrousocxmpositesbythebfidgirigmicromechanicsmodd，CopositesPartA：appliedscienceandmanufacturing，2001(32)：143—172．[3]张希良.风能开