风电机组复合材料导流罩结构分析研究

【摘要】：在风电机组各个零部件中，导流罩起着非常重要的作用。从结构上讲，导流罩是保护轮毂及相关零部件不受外界破坏的保护层；从功能上讲，导流罩是保证风电机组正常工作以及更高效率利用风能的薄壳结构，它对风电机组的稳定性、风电机组对风能利用率以及叶片的空气动力学性能都有着十分重要的影响。其主体由以下几部分组成：前挡板、导流罩主体、门洞，各板块搭接处用角钢联接。导流罩主体上成120°对称分布三个叶片安装孔，孔上部端口起翻边，根据导流罩规范，导流罩为各向异性的复合材料，可作为整板分析。 罩所承受的载荷比较复杂，通常会受到风载荷、冰载荷、雪载荷以及活动载荷的影响，这些载荷都具有不确定性，作用在导流罩上的载荷可能是其中的一种，也可能是以上几种载荷的组合，对导流罩的强度及稳定性造成一定的破坏。因此，对风电机组复合材料导流罩进行结构分析研究具有重要工程应用价值。 论文主要研究内容及结构如下： 第一章：以国内外风力发电技术的研究及发展为背景，分析了复合材料在风电机组中的应用现状和前景，并提出论文研究的主要内容和意义。 第二章：介绍了复合材料的相关特性，系统地研究了复合材料力学相关理论，为复合材料导流罩的分析奠定理论基础。 第三章：以某兆瓦级风电机组导流罩为分析对象，研究了导流罩在第三类风区中的载荷情况，给出了风载荷、静载荷、活动载荷、冰载荷、雪载荷等的计算方法，为后续工况设计及导流罩的强度分析提供了载荷数据。 第四章：研究了复合材料铺层在软件中的实现，综合考虑导流罩几何结构和受载情况的复杂性，采用有限元数值分析的方法，对复合材料导流罩的静强度进行了分析。 第五章：考虑到各向异性复合材料在三个主方向上强度的差异，在静强度分析的基础上，探讨了复合材料失效的形式，总结了各向异性材料的强度理论，并采用Tsai-Wu失效准则对导流罩进行了失效分析。 第六章：研究稳定性分析相关理论，确定稳定性分析方法，建立导流罩内部支撑结构的有限元模型，在Ansys软件中提交计算，提取出支撑架轴向力和弯矩等相关数据，对导流罩的面稳定性和导流罩内部支撑结构的稳定性进行了分析。 第七章：论文的研究结论和展望。 【关键词】：风电机组 有限元法 导流罩 强度分析 稳定性分析
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题研究的背景9-10
• 1.2 复合材料在风力机组应用中的现状及前景10-11
• 1.2.1 复合材料在风机中的应用现状10-11
• 1.2.2 复合材料在风机中的应用前景11
• 1.3 课题研究的内容和意义11-15
• 1.3.1 课题研究的内容11-12
• 1.3.2 课题研究的意义12-15
• 2 复合材料性能及静力问题理论分析15-31
• 2.1 复合材料的基本介绍15-18
• 2.1.1 复合材料的定义15
• 2.1.2 复合材料的分类15-16
• 2.1.3 复合材料的基本性能16-18
• 2.2 复合材料的力学特性18-29
• 2.2.1 各向异性弹性体的应力—应变关系18-20
• 2.2.2 单层板复合材料弹性特性20-23
• 2.2.3 层合板的弹性特性23-27
• 2.2.4 层合圆柱壳理论方程27-29
• 2.3 复合材料的强度分析方法29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 3 导流罩载荷的计算31-37
• 3.1 风载荷的计算方法31
• 3.2 导流罩的体形系数31-34
• 3.3 导流罩载荷计算34-36
• 3.3.1 风载荷34-35
• 3.3.2 静载荷35
• 3.3.3 活动载荷35-36
• 3.3.4 冰雪载荷36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 复合材料导流罩有限元模型建立及强度分析37-57
• 4.1 有限元方法及 Patran/Nastran 软件的介绍37-38
• 4.1.1 有限元法在复合材料分析中的应用37-38
• 4.1.2 复合材料分析软件介绍38
• 4.2 复合材料导流罩的的铺层方法38-41
• 4.3 导流罩三维模型及有限元分析模型41-44
• 4.3.1 单位及坐标系41-42
• 4.3.2 几何模型42-43
• 4.3.3 有限元模型建立43-44
• 4.4 导流罩有限元模型铺层设置及材料特性44-46
• 4.4.1 导流罩有限元模型铺层44-45
• 4.4.2 材料特性45-46
• 4.5 工况的设置46-48
• 4.6 结果分析48-56
• 4.6.1 工况 wind_front48-49
• 4.6.2 工况 wind_left49-50
• 4.6.3 工况 wind_right50-51
• 4.6.4 工况 live_pressure51-52
• 4.6.5 工况 wind_front_1552-53
• 4.6.6 工况 wind_left_1553-54
• 4.6.7 工况 wind_right_1554-55
• 4.6.8 工况 max_wind_load55-56
• 4.7 本章小结56-57
• 5 复合材料导流罩失效分析57-65
• 5.1 各向异性材料的强度理论58-60
• 5.2 失效分析算例60-61
• 5.3 导流罩失效分析有限元模型61-62
• 5.4 失效分析及结果62-63
• 5.5 本章小结63-65
• 6 复合材料导流罩稳定性分析65-81
• 6.1 导流罩曲面的稳定性分析65-67
• 6.1.1 导流罩主要技术参数65
• 6.1.2 材料强度设计值65-67
• 6.2 导流罩内部支撑结构稳定性分析67-79
• 6.2.1 导流罩内部支撑结构稳定性分析理论67-71
• 6.2.2 导流罩支撑结构截面特性71-73
• 6.2.3 导流罩支撑架载荷计算73-79
• 6.2.4 导流罩支结构稳定性校核79
• 6.3 本章小结79-81
• 7 结论与展望81-83
• 7.1 结论81
• 7.2 展望81-83
• 致谢83-85
• 参考文献85-89
• 附录89
• A. 攻读硕士学位期间所发表的论文89
• B. 攻读硕士学位期间参与的课题研究89

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