水平軸風(fēng)力機葉片的設(shè)計及流固耦合計算.pdf

1、本文針對功率為3MW的大型風(fēng)力機進行葉片設(shè)計，實現(xiàn)從葉片幾何模型設(shè)計建立、結(jié)構(gòu)形式確定到復(fù)合材料鋪層方案制定和優(yōu)化的整個過程，目的在于通過理論與有限元結(jié)合的方式形成一套風(fēng)力機葉片設(shè)計的總體方案。
　　 首先根據(jù)相關(guān)資料和理論計算出葉片的設(shè)計參數(shù)，包括風(fēng)輪半徑、葉片數(shù)、葉尖速比等。比較Glauert理論和Wilson理論后采用后者了進行葉片外形設(shè)計，選定了一組包括FFA-W3-301和NACA63-415等的翼型進行設(shè)計，并通過調(diào)

2、整個別翼型得到擁有足夠弦高比的翼型FFWM-35和FFAM-40用于葉根部分的設(shè)計，編寫出Matlab程序計算出攻角等參數(shù)，并將葉片模型每個葉素通過ibl文件的形式輸出，然后在建模軟件Pro/E中通過邊界混合工具建立起三維模型。隨后將葉片三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進行進一步的處理，添加了葉片內(nèi)部的腹板，并建立起葉片附近的流場和遠離葉片的流場幾何模型，通過網(wǎng)格劃分得到ANSYS固體有限元模型和Fluent流體有限元模型

3、。
　　 接著確定葉片的載荷工況和邊界條件，包括風(fēng)速和湍流強度、湍流長度尺度等，設(shè)置了載荷步數(shù)和求解時間，并通過AWB中的多場耦合新增輔助模塊SystemCoupling將ANSYS和Fluent進行耦合計算，初步計算出葉片在氣動載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)曲線，得到葉片表面最大正風(fēng)壓值為963.5Pa，與理論的基本風(fēng)壓接近，從而判定有限元計算結(jié)果的具有一定的可靠性，且在0.4s時葉片有最大的變形，對應(yīng)的結(jié)果將作為設(shè)計下一部設(shè)計的依據(jù)。

4、進行葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論研究，并根據(jù)初步計算結(jié)果提取出復(fù)合材料鋪層主方向和板殼內(nèi)力作為設(shè)計參數(shù)，以層合板設(shè)計理論與受壓薄殼屈曲理論作為葉片的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，根據(jù)提取得到的設(shè)計參數(shù)編寫出葉片復(fù)合材料鋪層厚度計算程序，得到葉片復(fù)合材料任意角度和變厚度的初步鋪層方案。
　　 利用穩(wěn)定性計算結(jié)果作為優(yōu)化的依據(jù)，對葉片鋪層方案進行了調(diào)整，最后調(diào)整載荷步數(shù)為200步，時間調(diào)整為0.5s，重新進行了葉片鋪層優(yōu)化前后的雙向流固耦合計