新型15mw风电机组叶片模型的三维建模与强度分析_毕业设计(编辑修改稿)

新型15mw风电机组叶片模型的三维建模与强度分析_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

共 37 页 第 7 页 国内有关叶片结构设计方法的研究主要是对己有叶片进行仿真与数值分析，基本没有提出实用的系统设计和校核方法，未能说明叶片怎 么样从无到有的设计过程，同时尚缺乏有针对性的设计依据和准则，对于与结构设计相关的载荷等问题也没能给出明确且有意义的答案，其有限元数值分析方法也都是基于实际叶片测量数据 [9]，基本没有针对自主设计叶片的校核分析。 叶片是风力发电机的一个主要零件，它把风力机与其它机械区分开来，并作为风力发机的“呼吸中心”起着重要作用。 叶片长度决定了风力机能从风中获取多少能量，这是因为它影响着叶轮的扫掠面积。 风轮叶片的优化设计要满足一定的设计标准：年输出功率最大化；最大功率限制输出；振动最小化和避免出现共振； 材料消耗最小化；保证叶片结构局部和整体稳定性；叶片结构满足适当的强度要求和刚度要求。 本课题采用 NACA 系列翼型研究叶片建模方法和控制参数的改变对叶片形状的影响，采用 ANSYS 建模研究方法，研究叶片在各种工况下的强度和刚度，进而优化叶片参数达到优化叶片模型的目的 [10]。 具体内容如下： 在有限单元法的理论下，根据已有的叶片翼型，利用大型通用有限元软件 ANSYS 建立叶片的有限元模型，采用壳体单元 SHELL63 对模型进行离散化，对建好的有限元模型施加工况条件，进行结构分析，施加气动力、惯性力和重力载荷对建 好的模型进行加载对叶片模型 ansys 结果进行分析。 常用翼型介绍 目前在翼型设计制造和生活研究中，常采用以下几种翼型： 1） NACA（ 4406～ 4415）翼型 这是美国航空咨询委员会研制的翼型。 四位数字的含义是：第一位数字 4表示翼型的最大相对弯度（拱度）为 4﹪；第二个数字 4 表示翼型最大厚度处离前缘的距离为弦长的 4/10，即 4/10l；后两位数字表示最大相对厚度的百分数，即 6﹪～ 15﹪。 2）哥丁根（ Gottingen）翼型 这是 1921 年在德国哥丁根研制的翼型。 3）ВИГМ 翼型 这是前苏联 水力机械研究所专门为水力机械研究的翼型。 4） RAF— 6 翼型（英国翼型） 共 37 页 第 8 页 5）圆弧翼型 6） 791 翼型 在有限元分析中，分析对象几何模型的好坏直接影响分析结果的准确性。 通常情况下，有以下三种建模方法 [11]: :即采用三维 CAD 建模软件创建模型，转换格式后导入 ANSYS 软件进行分析，其优点是基于 CAD 软件强大的建模功能使得建模简便可行，尤其是对于外形结构复杂的分析对象，相比于在 ANSYS 中建模节省大量的时间。 缺点是从 CAD 软件中导入的模型不适于网格划分，需要做大量的修补工作，甚至由于安装版本、转换格式等限制导 共 37 页 第 9 页 致引入模型不完整等问题。 并且几何建模与结构分析过程难以一次完成，使得分析模型精度降低。 :该方法是利用有限元程序直接定义节点和单元，适用于小型或简单模型的生成，并能够对几何形状及每个节点和单元的编号完全控制。 优点只针对简单零件而言，计算量小、对机器配置要求不高。 缺点针对复杂或庞大零件而言，操作乏味繁琐，且有时不可能实现准确的计算，并且生成的模型严格按照节点和单元的顺序定义组集而成，单元必须在节 点全部生成后才能定义，并不能利用自适应网格划分功能，进一步改进网格十分困难，使优化设计很不方便。 :通过直接描述模型的几何边界、形状和尺寸等特性来创建模型，在ANSYS 软件中通过创建点、线、面、体的方式生成实体模型，可采用自底向上、自顶向下或二者混合的方式建模，并且可利用布尔运算、拖拉、旋转、镜像操作，大大减小工作量，提高效率。 同时，能对生成的实体模型采用自适应方式、自由网格、映射方法划分网格，便于加载后进行局部网格细化以及几何上的改进和优化。 根据自身的情况，考虑到叶片形状特点：翼型是沿叶片伸 展方向上某一位面的轮廓线，且在连接处跟尾部都有过渡部分，本文采用 Pro/e 进行三维建模再导入到 ansys 中[12]。 现代风力机通常是采用三叶片的上风或下风结构。 风力机叶展形状、翼型形状与风力发电机的空气动力特性密切相关。 一台好的风力机应当尽量增加升力而减小阻力，使之尽量趋于最大值，以增加风力机的风能利用系数 [13]。 叶片通常由翼型系列组成。 由于叶片根部各翼型力臂较小，对风力机风轮输出扭矩贡献不大，所以叶片根部对风力机性能影响较小，主要考虑加工方便和强度问题。 在尖部采用薄翼型以满足高升阻比 的要求；根部采用相同翼型或较大升力系数翼型的较厚形式，以满足结构强度的需要。 典型运行工况下的雷诺数范围是 65 102102  [14]。 常用的翼型有 NACA44xx 系列、NACA644xx 系列和 NACA230xx 系列等航空翼型；专用翼型有美国的 SERI 翼型系列以及 NREL 翼型系列、丹麦的 RISφ — A 系列翼型和瑞典的 FFA— W 系列翼型族。 根据不同的设计需要选取翼型。 翼型数据及其气动性可参考 profili 软件、中国气动力研究与发展中心的文献等。 从 profili 软件导出 NACA4412 的翼型数据。 导出如图所示 21 所示。 导出 文件。 翼型数据见表 21 共 37 页 第 10 页 图 21 NACA4412 翼型数据的导出 表 21 NACA4412 翼型数据 NACA 4412 共 37 页 第 11 页 基本原理 图形变换的实质是对组成图形的各顶点进行坐标变换 [15]。 运用齐次坐标的方法，可将三维空间点的几何变换表示为：     Tzyxzyx  1,1,39。 ,39。 ,39。 其中， T 是 4*4 的变换矩阵，即： T=snmlrihgqfedpcba 其中，左上角子矩阵产生三维图形的比例、对称、错切和转换变换；左下角 子矩阵产生平移变换；右上角子矩阵产生透视变换；右下角子矩阵产生全比例变换。 叶片截面坐标变换 要进行叶片三维造型，首先是对叶片的截面进行坐标转换，使叶片各剖面坐标转化到相应的三维空间坐标中去。 具体可按下述步骤来实现 :首先获得翼型剖面曲线坐标 00,yx ，再转化为以气动中心为坐标原点的平面坐标  11,yx ，最后经过平移、旋转至相应的三维空间坐标 (x， y， z)。 设叶片 r=o 的叶素平面为 xy平面，叶展从叶根至叶尖方向定位 z 轴正向，三维空 间原点设在 r=o 的叶素平面的气动中心处。 翼型轮廓离散点坐标为 (x， y， z)。 设气动中心的坐标为  yx, 则以气动中心为原点，弦线为 x轴的轮廓二维坐标为  11,yx = 00,yx  yx, 再结合实际弦长得实际叶素坐标  22,yx = 11,yx *L 经旋转，平移得三维空间的实际坐标为 共 37 页 第 12 页 rzxyyxyxyyxx222222222222a r c t a ns ina r c t a nc o s 通过 EXCEL 可完成各翼型截面上所有离散点的空间坐标计算，部分数据如表 22： 表 22 部分截面坐标数据 x y z 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 pro/e 建模实现 通过上述过程获得各叶素空间实际坐标 (x ， y ， z)，进而可通过各种绘图软件直接绘制叶片。 绘制各叶素轮廓线。 第一步：把一个叶素计算出的 x， y， z 坐标数组，在 Excel 中的数据点排成 3 列。 第二步：把这三列数据复制到一个文本文件 txt 中，在文本文 件中也要排成 3 列，数据前写入文字 open Arclength begin section!1 begin curve； 第三步：把文本文件后缀名改为 ibl 格式，然后保存； 第四步：在 pro/e 中建立叶素翼型的样条曲线。 在建模过程中执行插入样条曲线，选择通过点形成，选择从文件中的点，选中你刚 共 37 页 第 13 页 才保存的 ibl 文件，就画出了该叶素的翼型曲线。 如图 22. 图 22 叶素翼型曲线形成 重复上述过程，计算 18 个截面各点的空间坐标，导入 pro/e，画出各截面的翼型曲线。 如图 23 所示： 图 23 各截面翼型曲线 共 37 页 第 14 页 叶根部分考虑了安装和结构的过渡性 ,按结构要求绘制，叶片根部各翼型力臂较小，对风力机风轮输出扭矩贡献不大，所以叶片根部对风力机性能影响较小。 叶根部分考虑了安装和结构的过渡性 ,按结构要求绘制，本文用圆周型连接。 如图 24所示： 图 24 叶根部分曲线 通过曲线创建叶片的自由曲面。 在 pro/e 中通过各个叶素的样条曲线，创建整个叶片的自由扭曲的曲面形状。 如图 25 所示 : 共 37 页 第 15 页 图 25 各叶素形成的曲面 翼型主要设计参数 机的机翼、轮船的螺旋桨，以及轴流式压缩机、水轮机、泵（风机）的叶轮叶片等， 共 37 页 第 16 页 其断面形状都是机翼形。 机翼的形状如图 31所示 图中 l称为翼弦长度， b称为翼展， l /b 称为展弦比。 如机翼的翼弦长度不是定值时，求展弦比可用翼弦长度的平均值。 根据展弦比的不同，可把机翼分为两种：一为有限展翼比机翼，或称有限翼展机翼，如图 31(a)所示；另一种为无限展弦比机翼，或称无限翼展机翼，其翼展长度为无限大，如图 31(b)所示。 当然翼展不可能无限长，如果机翼的两端是固体壁，例如轴流泵等的风轮叶片，就可 看作是无限翼展机翼。 图 31 机翼。