基于labview的叶片弯扭耦合测量软件系统设计(编辑修改稿)

基于labview的叶片弯扭耦合测量软件系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

发生变化，减小拍打方向根部弯矩对叶片影响。 稳定功率输 出 叶轮的功率输出通常定义为： 上式中， P 为空气密度； V 为风速； Cp 为风能利用系数，即功率系数； S 为风轮扫掠面积。 由式 (24)可知，风轮的输出功率与功率系数的关系非常敏感。 根据相关文献 [47]，功率系数与桨叶的桨距角和叶尖速比成非线性关系： 华北电 力大学科技学院本科毕业设计（论文） 7 由上式可知，叶片桨距角的变化对功率系数有很大影响。 而叶片攻角的变化会改变桨距角的大小，从而导致功率系数发生变化。 设计弯扭耦合叶片的目的之一，就是在风速发生变化时，希望叶片能够通过自身的耦合效应来调整桨距角，改善功率输出的稳定性。 在风机的运行 中，叶轮的输出功率必须稳定在一定的范围，如果叶片的攻角随风速的增大而变大，那么就能够减小功率的输出，达到稳定输出功率的目的。 以上提到的两点就即为叶片的自适应性。 风力机叶片材料一般为纤维复合材料，而纤维复合材料的力学性能具有可设计性，这为叶片的弯扭耦合设计 叶片材料与耦合关系 本小节介绍叶片材料与耦合的关系，本文主要从以下两方面介绍即复合材料叶片，复合材料层合版叠层理论介绍叶片材料与耦合的关系，下面做详细介绍。 复合材料叶片 近二、三十年来，高性能的复合材料得到迅猛发展。 玻璃钢与碳纤维，是复合材料的典型代表，它们广泛应用于航空、汽车、船舶、建筑、机械等领域。 复合材料具有以下一系列的优越性： 1) 比强度高，比刚度高。 即复合材料的既轻，强度和刚度又高。 2) 疲劳性能好。 通常与材料种类、铺层方式以及疲劳载荷有关。 3) 可设计性。 可设计复合材料纤维的含量及铺设方式，达到所需要的气动弹性。 4) 不易失效。 复合材料为纤维和基体组成，即便个别纤维断裂，仍能安全使用一定期限。 在风机系统中，叶片是关键零部件，叶片被要求具有可靠的结构、坚固的材料，以使叶片可承担风力、 自重、惯性力等各种受力。 叶片质量越轻、结构强度越高，抗疲劳强度就越好，运行就更安全可靠等。 正因为复合材料具有上述优越华北电 力大学科技学院本科毕业设计（论文） 8 性，已成为风力发电叶片的首选材料。 目前，大型风机叶片主要采用玻璃纤维、玻璃纤维 /碳纤维混杂、碳纤维等增强体复合材料。 其中玻璃纤维因为价格比较便宜等因素，是风机叶片使用材料的主流。 但是随着叶片的大型化，为了进一步减轻叶片的重量，提高叶片的可靠性，碳纤维与玻璃纤维组成的混杂纤维，也开始应用于大型特别是超大型叶片的制造。 有生产商指出，叶片超过一定尺寸后，混杂纤维叶片的制作成本并不比玻璃纤维叶片的高， 预计下一代 3～ 10 Mw 风力机的设计将更多的采用混杂纤维。 因此，随着叶片的大型化和碳纤维成本的降低，由碳纤维等组成的混杂纤维材料在风机叶片上必然会得到更广泛的运用。 复合材料层合板叠层理论 风机叶片在制造工艺上，是由复合材料纤维布层叠而成的，而纤维复合材料具有很强的可设计性，根据不同的纤维叠层分布，可设计出拉剪，弯扭等复杂的耦合效应，这一节我们重点从复合材料力学来探讨复合材料层合板的耦合设计。 （ 1）单向纤维板的应力与应变关系 一般采用为单向纤维板，该板为正交各向异性材料，具有不均匀性 和各向异性。 提供了可行性。 单向复合材料一般作为层合板结构的基本单元使用。 在分析层合板的力学关系时，可把适当大小的包含纤维和基体的体积单元，看作材料的基本构成元素。 在实际应用中，复合材料通常以平板或壳体形式出现，即厚度方向与其他方向的尺寸相比一般很小。 在讨论单层复合材料的力学性质时，可假设其为平面应力状态。 （ 2）材料任意方向的应力应变关系 当纤维板的纤维主轴方向与总体坐标系不一致时，需要研究单层材料任意方向的应力应变关系，来计算材料的刚度。 图 22 是两种坐标之间的关系，θ表示从 x 轴转向主轴 (1 轴 )的角度，逆时针为正。 华北电 力大学科技学院本科毕业设计（论文） 9 图 两种坐标之间的关系 （ 3）层合板的刚度与强度设计 合板的刚度，需要做以下假设： 层合板的层与层之间无缝隙，忽略粘结层的厚度。 层合板是由单层板按一定的顺序和角度叠层起来的。 为了评价层的性能优劣，需要做实例验证，详细见下节。 实例验证 本文后续章节中，叶片的弯扭耦合设计都是基于有限元来计算的，为了验证应用有效应的准确性，下面通过应用理论推导和有限元分析两种方法，计算一个简单的层合板在耦合与未耦合铺层的情况下，合效应的正确性。 量 ，径向模量 ，泊松比 ，剪切模 量即纤维铺设方向沿层合板长度方向。 因层合板规则形状，长、宽、高分别为 =10m、 b=1m、 h= 限元法来计算耦合考察其的应力与变形，以此来验证耦现假设有一块简单的层合板，长 L=10m，宽度 1m，铺层数 30，每层厚度 10mm。 材 料 属 性 为 ： 轴 向 模 Ex= Ey= Ux==。 固定根部，未端中点加一集中力 F=10KN。 下面先应用理论方法来推导层合板根部的应力与应变。 假设此复合板为单向铺层， l。 可以华北电 力大学科技学院本科毕业设计（论文） 10 把此板等效为一根部固定的梁，由材料力学可得， 梁根部弯矩为： 而应用有限元法求解，结果如图 与 所示。 根部正应力平均约为 67MPa，最大应变为 ，与上述理论计算的结果很接近，这说明本文采用的有限元计算方法是可端位移如图 所示，可见末端各节点的位移相等，没有扭转位移的发生。 而将靠的。 接下来以此层合板为例，探讨层合板的耦合效应。 首先在上述单向铺层的情况下，得到层板的末铺层方式改为角铺设，即所有层的纤维方向均为与长度方向 (图中的 x 轴方向 )成 20176。 的夹角。 再看末端位移的计算结果如图 所示，可见末端已发生 扭转变形，经计算为 176。 ，扭转方向与纤维偏置的方向一致。 此外，本文在 0176。 ~40176。 间作了多组角度计算，未 在此文中体现，但均得到有相似的弯扭耦合效应。 图 根部正应力 图 根部压缩应变 华北电 力大学科技学院本科毕业设计（论文） 11 由上述实例可知，当纤维在层合板中的铺设没有偏离坐标轴方向时，就不会产生耦合效应。 而当纤维铺设偏离坐标轴向时，就会产生弯扭耦合效应，这正好验证了层合板的弯扭耦合理论是正确，同时说明应用有限元法来计算耦合效应是合理和准确的。 叶片中的铺层与耦合效应 耦合控 制系数 （ 1）叶片实体模型的建立 叶片实体模型在 ANSYS 中采取自下而上的方式建立，模型建立前首先要确定叶片的翼型，翼型的形状直接影响叶片的气动性能。 风机叶片的翼型是叶片在其展长方向上某一位面的轮廓线，翼型一般是瘦长形状，其前部较厚且有小圆弧状的前缘，而其后部较薄且有一较尖的后缘，如图 1 所示。 为方便建模，根据 750kW叶片翼型的特点，将叶片划分为 44 段，共有 45个截面，建立每个截面的关键点，将关键点连接成线，然后连接相应的线成面，实现叶片的实体建模。 （ 2）建立翼型截面轮廓线 叶片截面的翼型数据可以通过 Profili 软件得到，获得截面的关键点坐标以后，通过命令流的形式建立关键点（如图 1 所示），数据格式如下： 翼型截面关键点建立以后，将每个截面的 30 个点分为 6 组，通过主菜单→Preprocesso→ Modeling→ Create→ Lines→ Spline→ SplihruKPs建立 6条曲线，即可得到翼 型的某一轮廓线，如图 2所示。 在叶片的每两个翼型截面之间，以轮廓线上的曲线端点为关键点建立 6 条纵向直线，将叶片上所有的翼型轮廓线通过纵向直线连接起来。 华北电 力大学科技学院本科毕业设计（论文） 12 叶片翼型截面轮廓线共有 45 个，每两个截面间的曲线和直线都是对应的，因此通过主菜单→ Preprocessor→ Modeling→ Create→ Areas→ Arbitrary→ByLines 可以在对应的线段之间建立曲面，每两个翼型截面之间都有 6个曲面，将所有的曲面建立完毕后即可得到整个叶片的实体模型，如图 3 所示。 由于该叶片为空心结构，为了增加强度，在叶片中间加设主 梁和腹板，主梁是以玻璃纤维粗纱为增强材料的预成型件，其宽度沿着展长方向递减，而厚度则是沿着展长方向先增大然后逐渐减小，腹板是等厚渐窄的夹芯结构预成型件。 在模拟主梁时，将主梁在叶片上的区域按其形状单独分开，通过实常数赋值实现模拟。 而腹板是在叶片的上下面内建立曲线，在上下对应的曲线之间通过主菜单→ Preprocessor→ Modeling→ Create→ Areas→ Arbitrary→ BySkining 建立腹板面来连接叶片的上下面，应用 ANSYS 中夹芯单元实现腹板的模拟。 在 ANSYS中，可用于模拟复合材料铺层 结构的单元类型有 SOLID4 SHELL9SHELL99,SHELL181 和 SOLID191 五种单元。 根据叶片层合板的特点采用 SHELL91和 SHELL99 两种类型单元模拟， SHELL91 可以模拟具有夹芯结构的层合板，允许输入的复合材料多达 100 层；而 SHELL99 可以模拟非夹芯结构层合板，允许输入的复合材料多达 250 层。 应用 SHELL91 模拟夹芯结构时，使单元参数 KEYOPT(9)＝ 1，以此声明该结构为夹芯结构，同时使 KEYOPT(5)＝ 1以获得中间层最精确的结果。 SHELL91 单元还可以对同一个节 点定义两种材料属性。 为使分析更加准确，要根据叶片的实际结构通过设置单元参数 KEYOPT(11)来确定节点外置，见图 4。 如果节点中置（ KEYOPT（ 11）＝ 0），则会影响计算结果，尤其是对叶片的弯曲应力和扭转刚度影响较大。 华北电 力大学科技学院本科毕业设计（论文） 13 为了使计算结果合理准确， ANSYS 在选定 SHELL91 的夹芯结构功能时附加了一些 限定条件： (1)夹芯与整个夹芯复合板的厚度比值最好≥ 5/6，但必须≥ 5/7，如图 5 所示； (2)蒙皮与夹芯杨氏模量得到比值最好在 100~10000 范围内，但必须在4~1000000 内； (3)在弯曲载荷作用下的曲率半径与夹芯复合板厚度的比值最好≥ 10，但必须≥ 8。 风机叶片的主梁和蒙皮采用非等厚度复 合材料铺层结构，如图 6 所示。 在叶根处的复合材料铺层高达 100 多层，厚度也达到最大值，从叶根开始沿展长方向蒙皮厚度先减小后增大，在叶片中间保持不变，趋于叶尖时蒙皮厚度逐渐减至最小值，而在前后缘的蒙皮增强部位，也是非等厚度复合材料铺层结构。 因此为了模拟叶片的实际铺层结构，根据蒙皮的不同厚度划分区域，设置了不同的实常数，每个实常数都包括相应的材料性能参数、铺层角和铺层厚度。 本例在统计完叶片的实际铺层后做了部分简化，一共设置了 100 多个实常数，每个实常数都是对应于不同区域。 华北电 力大学科技学院本科毕业设计（论文） 14 叶片网格的划分 在划分叶片网 格时．将 SHELL91 和 SHELL99 与实常数相结合来实现对叶片实际铺层结构的模拟，通过主菜单→ Preprocessor→ Meshing→ MeshTool 进行网格划分，划分时采用映射与自由划分的方式来控制网格的精度。 在模拟过程中，采用了两种实常数赋值法，即面赋值法和单元赋值法。 所谓面赋值法，就是在划分网格时，将实常数赋值于要划分网格的面上，例如叶根、主梁、腹板等结构，通过此法就可以很容易地实现铺层的模拟；而单元赋值法，就是在划分网格时定义单元的 尺寸， 网格形 成以 后通过 主菜单 → Preprocessor → Modeling→Move/Modify→ Elements→ ModifyAttrib 改变单元的实常数属性。 例如在前后缘的增强部位，通过此法可实现对增强铺层的模拟。 为减轻叶片的重量，在叶片的主梁两侧、前缘和后缘上使用了大量的夹芯结构。 夹芯结构由蒙皮和夹芯材料组成，夹芯结构的使用降低了叶片成本，增强了叶片的局部抗弯和抗剪能力，并使整个叶片达到轻质高强。 利用 SHELL91（ KEYOPT（ 9） =1）来模拟叶片的夹芯结构进行网格划分时，在前缘部位存在一些单元因不能满足夹芯结构的限定条件而无法进行求解计算，但由于叶片的外形和 前缘曲率已经确定，故将这些不满足要求的单元用不带夹芯结构的 SHELL91（ KEYOPT（ 9）＝ 0）来模拟，虽然这会对结果产生偏差，但这种偏差在允许范围。 将叶片的网格全部划分完成以后，叶片的有限元模型也就建好了，对建好的有限元模型施加边界条件和各种工况载荷，就可研究叶片的强度、刚度、振动频率和疲劳寿命等结构性能，以完成对叶片的结构分析和设计研究。 图 7 所示为叶片的某一截面结构图。 图 8所示为叶片的有限元模型。 本章小结 本章主要介绍了叶片弯扭耦合的设计理论分析，主要涉及叶片弯扭耦合的设计效应、叶片 材料与耦合的关系、实例验证、叶片中的铺层与耦合效应等几方面介绍了系统涉及到的理论知识，本章为系统的成功实现打下了良好的理论基础。 华北电 力大学科技学院本科毕业设计（论文） 15 3 利用 labview 设计叶片弯扭耦合测量系统。