大型風力機復合材料葉片彎扭耦合特性研究.pdf

1、風力機葉片的大型化使得其柔度增加，變形效應顯著，同時使得其質量增加，葉片承受的載荷增大。彎扭耦合葉片在風載荷的作用下，發(fā)生彎曲變形的同時產(chǎn)生扭轉變形，可用于降低葉片承受的沖擊載荷，拓寬風力機正常運行的風速范圍。本文研究了大型風力機復合材料葉片彎扭耦合效應的產(chǎn)生機理、彎扭耦合特性的描述方法，從解析解、實驗解和數(shù)值解的角度研究了彎扭耦合特性，設計了5MW彎扭耦合葉片。論文的主要研究內容及成果如下:
　　(1)從材料耦合和結構耦合兩個方

2、面闡述了大型風力機復合材料葉片的彎扭耦合效應。提出了描述葉片彎扭耦合特性的節(jié)點位移法，該方法定義了基于葉片等效梁模型節(jié)點位移的彎扭耦合向量和等效彎扭耦合系數(shù)，從變形的角度將彎扭耦合特性視為葉片的整體屬性，將結構耦合和材料耦合均考慮在內。對彎扭耦合效應的產(chǎn)生機理及彎扭耦合特性描述方法的研究為葉片彎扭耦合特性分析奠定了基礎。
　　(2)將風力機葉片簡化為復合材料層合板梁，基于經(jīng)典層合板理論，推導了彎曲和扭轉變形的計算公式，從材料耦合角

3、度解釋了層合板梁的彎扭耦合現(xiàn)象;推導了在集中力作用下，懸臂復合材料層合板梁彎扭耦合向量和等效彎扭耦合系數(shù)的解析表達式;研究了材料耦合、結構耦合中的長度耦合對葉片彎扭耦合特性的影響，并與傳統(tǒng)的截面剛度法進行了比較。
　　(3)分別設計并制作了具有不同偏軸鋪層角度的均勻對稱鋪層層合板和具有不同耦合區(qū)域的非均勻對稱鋪層層合板;采用懸線法對兩類層合板進行了彎扭耦合特性測量實驗;制作了與層合板同一材料的標準拉伸試件，測量得到了該材料的力學性

4、能參數(shù);依據(jù)力學性能參數(shù)和層合板的幾何尺寸參數(shù)建立有限元模型，計算了兩類層合板變形及彎扭耦合系數(shù)的數(shù)值解，將實驗測量結果與數(shù)值解進行比較，分析了實驗誤差產(chǎn)生的原因。研究表明:節(jié)點位移法能夠合理、準確地描述層合板的彎扭耦合特性，同時彎扭耦合實驗也驗證了葉片彎扭耦合特性解析解的研究結論。
　　(4)采用截面特性計算方法研究了翹曲效應、腹板位置及個數(shù)，材料耦合和主梁型式對葉片截面耦合的影響;提出了基于三維殼有限元-梁模型的風力機葉片彎扭

5、耦合特性計算方法;采用該計算方法分析了材料耦合和結構耦合對風力機葉片主梁彎扭耦合特性的影響。研究結果表明:翹曲效應、腹板的有無及主梁型式對截面耦合影響很大，腹板位置及個數(shù)、材料耦合對截面耦合的影響可忽略;基于葉片三維殼有限元-梁模型的葉片彎扭耦合特性計算方法中給出的節(jié)點位移計算方法具有較高的計算效率和精度。對葉片主梁的彎扭耦合特性分析為葉片的彎扭耦合特性研究提供了基礎。
　　(5)基于三維殼有限元-梁模型的風力機葉片彎扭耦合特性計