本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（風(fēng)力機(jī)葉片的有限元分析）
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- 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（風(fēng)力機(jī)葉片的有限元分析）風(fēng)力機(jī)葉片的有限元分析
學(xué)生姓名：盧取 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化2008級(jí)10班
指導(dǎo)教師：朱仁勝 指導(dǎo)單位：機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院
摘 要：通過(guò)Solidworks軟件對(duì)3MW風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行建模，然后基于A(yíng)NSYS 和Workbench分別對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的結(jié)構(gòu)靜力分析部分也使用到了ANSYS Mechanical APDL。其中模態(tài)分析結(jié)果表示：葉片的振型以擺振和彎曲為主，其一階模態(tài)頻率分別為 0.34Hz，能順利的避開(kāi)外在激勵(lì)頻率，避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。流固耦合分析對(duì)額定風(fēng)載進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，通過(guò)結(jié)構(gòu)靜力分析，對(duì)葉片的受力，變形情況有了一個(gè)基本的了解，其中葉片在額定風(fēng)載情況下的最大應(yīng)力為56MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其實(shí)測(cè)拉伸強(qiáng)度的720MPa。在11級(jí)風(fēng)載下的應(yīng)力云圖顯示其所受的最大應(yīng)力為83.8MPa，滿(mǎn)足其材料的強(qiáng)度要求。該分析對(duì)進(jìn)一步的疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供了參考和依據(jù)。
關(guān)鍵詞：葉片建模；模態(tài)分析；流固耦合分析；結(jié)構(gòu)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(fēng)能是地球表面大量空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能，風(fēng)能量具有取之不盡、用之不竭、就地可取、不需運(yùn)輸、廣泛分布、不污染環(huán)境、不破壞生態(tài)、周而復(fù)始、可以再生等諸多優(yōu)點(diǎn)。人類(lèi)利用風(fēng)能的歷史可以追溯到西元前，但數(shù)千年來(lái)，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，沒(méi)有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來(lái)，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長(zhǎng)足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無(wú)污染和可再生的能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ貏e是對(duì)沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場(chǎng)，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)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(fā)達(dá)國(guó)家，風(fēng)能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。
風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組承受風(fēng)載的關(guān)鍵部件。一個(gè)優(yōu)良的葉片應(yīng)該具有高的捕風(fēng)能力、高壽命并且能夠承受當(dāng)?shù)貥O限風(fēng)載的能力。所以對(duì)葉片進(jìn)行一系列的有限元分析來(lái)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等是否能滿(mǎn)足其在規(guī)定環(huán)境下的長(zhǎng)期運(yùn)行具有很高的實(shí)際意義。
2 葉片建模
該論文葉片模型是以3MW水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為例，葉片翼型為NACA4412。其葉片的三維模型是通過(guò)Solidworks軟件建立的。葉片的建模前需要確定葉片的長(zhǎng)度尺寸、葉素的弦長(zhǎng)L和葉素的安裝角β。下面就來(lái)確定以上參數(shù)并進(jìn)行建模。
2.1 葉片長(zhǎng)度的計(jì)算
在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于給定功率的風(fēng)力機(jī)葉輪直徑直接由下式給出：
式中: D—風(fēng)力機(jī)葉輪直徑；
P—風(fēng)力機(jī)輸出功率，其中取P=3MW；
CP— 風(fēng)能利用系數(shù)，高速風(fēng)力機(jī)一般取CP=0.4；
η—機(jī)械傳動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)效率，取η=0.81；
ρ—空氣密度，取ρ=1.225Kg/m3；
Vn—額定風(fēng)速，取Vn=13m/s。
經(jīng)計(jì)算求得D≈93.59m，所以取D=94m，即葉片長(zhǎng)度為47m。
考慮到目前國(guó)內(nèi)外的風(fēng)力機(jī)大部分是采用三葉片的，并且三葉片的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行和功率輸出比較平穩(wěn)，所以選擇葉片數(shù)為B=3。同時(shí)確定葉尖速比λ0=6。
2.2 葉素的弦長(zhǎng)和安裝角的計(jì)算
應(yīng)用渦流理論設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片，把葉片分成若干個(gè)葉素，分別對(duì)各葉素在最佳運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。
計(jì)算參數(shù)背景：風(fēng)力機(jī)回轉(zhuǎn)直徑（即葉輪直徑D），風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)目B，葉尖速比λ0，攻角i，升力系數(shù)CL，r/R的比值關(guān)系（R即為回轉(zhuǎn)半徑，r是葉素的回轉(zhuǎn)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(gè)葉片分為20份進(jìn)行計(jì)算。
其葉素的弦長(zhǎng)L和安裝角β的計(jì)算公式如下：
其中，，，，。
取其攻角i=6°，設(shè)計(jì)升力系數(shù)CL=1.9。考慮到葉片的根部對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率貢獻(xiàn)不大，所以計(jì)算并非從葉根部位開(kāi)始算起，而是以葉展方向r=9.4m處開(kāi)始計(jì)算，將其9.4m~47m等分為20份，即每隔1.88m建立基準(zhǔn)面并繪制相應(yīng)的葉素輪廓。
2.3 Solidworks建模
基于以上參數(shù)，用簡(jiǎn)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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