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本科畢業設計（風力機葉片的有限元分析）

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更新時間：2021-06-26
發布人：zlw2511

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本科畢業設計（風力機葉片的有限元分析）風力機葉片的有限元分析
學生姓名：盧取專業班級：機械設計制造及其自動化2008級10班
指導教師：朱仁勝指導單位：機械與汽車工程學院
摘要：通過Solidworks軟件對3MW風力機葉片進行建模，然后基于ANSYS 和Workbench分別對其進行模態分析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的結構靜力分析部分也使用到了ANSYS Mechanical APDL。其中模態分析結果表示：葉片的振型以擺振和彎曲為主，其一階模態頻率分別為 0.34Hz，能順利的避開外在激勵頻率，避免了共振現象的發生。流固耦合分析對額定風載進行了數值模擬仿真，通過結構靜力分析，對葉片的受力，變形情況有了一個基本的了解，其中葉片在額定風載情況下的最大應力為56MPa，遠遠低于其實測拉伸強度的720MPa。在11級風載下的應力云圖顯示其所受的最大應力為83.8MPa，滿足其材料的強度要求。該分析對進一步的疲勞分析和優化設計等提供了參考和依據。
關鍵詞：葉片建模；模態分析；流固耦合分析；結構靜力分析

Abstract: Through the Solidworks software build the blade model which power is 3 MW. Then based on the ANSYS and Workbench software,the analysis of modal and fluid-structure interaction.And the Static structural analysis is used the ANSYS Mechanical APDL too.The modal analysis results show that the vibration modes of this blade are presented as Shimmy and bending,The first modes frequency is 0.34Hz.And it can avoid the external excitation frequency well,Avoid the resonance phenomenon occurs.The analysis of fluid-structure interaction have do a numerical simulation about Rated wind load,through the Static structural analysis we have a basic understanding of the stress and deformation about the blade. And the maximum stress of the blade is 56MPa under the rated wind load.Far lower than the Measured tensile strength of 720MPa.And under the 11 rating wind load.The stress cloud show that maximum stress is 83.8MPa,Meet the strength of the material requirements.This analysis provides a reference and basis for further fatigue analysis and optimization design.
Keywords: Blade modeling；Modal analysis；Fluid-structure interaction analysis；
Static structural analysis
1 概述
風能是地球表面大量空氣流動所產生的動能，風能量具有取之不盡、用之不竭、就地可取、不需運輸、廣泛分布、不污染環境、不破壞生態、周而復始、可以再生等諸多優點。人類利用風能的歷史可以追溯到西元前，但數千年來，風能技術發展緩慢，沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機以來，在常規能源告急和全球生態環境惡化的雙重壓力下，風能作為新能源的一部分才重新有了長足的發展。風能作為一種無污染和可再生的能源有著巨大的發展潛力，特別是對沿海島嶼，交通不便的邊遠山區，地廣人稀的草原牧場，以及遠離電網和近期內電網還難以達到的農村、邊疆，作為解決生產和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。即使在發達國家，風能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。
風力機葉片是風力發電機組承受風載的關鍵部件。一個優良的葉片應該具有高的捕風能力、高壽命并且能夠承受當地極限風載的能力。所以對葉片進行一系列的有限元分析來驗證其結構強度等是否能滿足其在規定環境下的長期運行具有很高的實際意義。
2 葉片建模

該論文葉片模型是以3MW水平軸風力發電機葉片為例，葉片翼型為NACA4412。其葉片的三維模型是通過Solidworks軟件建立的。葉片的建模前需要確定葉片的長度尺寸、葉素的弦長L和葉素的安裝角β。下面就來確定以上參數并進行建模。
2.1 葉片長度的計算
在實際設計過程中，對于給定功率的風力機葉輪直徑直接由下式給出：

式中: D—風力機葉輪直徑；
P—風力機輸出功率，其中取P=3MW；
CP— 風能利用系數，高速風力機一般取CP=0.4；
η—機械傳動和發動機效率，取η=0.81；
ρ—空氣密度，取ρ=1.225Kg/m3；
Vn—額定風速，取Vn=13m/s。
經計算求得D≈93.59m，所以取D=94m，即葉片長度為47m。
考慮到目前國內外的風力機大部分是采用三葉片的，并且三葉片的風力機運行和功率輸出比較平穩，所以選擇葉片數為B=3。同時確定葉尖速比λ0=6。
2.2 葉素的弦長和安裝角的計算
應用渦流理論設計風力機葉片，把葉片分成若干個葉素，分別對各葉素在最佳運行狀態下進行空氣動力學的計算。
計算參數背景：風力機回轉直徑（即葉輪直徑D），風力機的葉片數目B，葉尖速比λ0，攻角i，升力系數CL，r/R的比值關系（R即為回轉半徑，r是葉素的回轉半徑）。在這里將r/R=1/n、2/n、3/n……1，在此取n=20，即將其整個葉片分為20份進行計算。
其葉素的弦長L和安裝角β的計算公式如下：

其中，，，，。
取其攻角i=6°，設計升力系數CL=1.9。考慮到葉片的根部對風力發電機的輸出功率貢獻不大，所以計算并非從葉根部位開始算起，而是以葉展方向r=9.4m處開始計算，將其9.4m~47m等分為20份，即每隔1.88m建立基準面并繪制相應的葉素輪廓。
2.3 Solidworks建模
基于以上參數，用簡單的放樣和放樣切割指令即能完成葉片建模，葉片模型如圖2.1所示，...

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