大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片彎扭耦合特性研究.pdf

1、風(fēng)力機(jī)葉片的大型化使得其柔度增加，變形效應(yīng)顯著，同時(shí)使得其質(zhì)量增加，葉片承受的載荷增大。彎扭耦合葉片在風(fēng)載荷的作用下，發(fā)生彎曲變形的同時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，可用于降低葉片承受的沖擊載荷，拓寬風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行的風(fēng)速范圍。本文研究了大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片彎扭耦合效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理、彎扭耦合特性的描述方法，從解析解、實(shí)驗(yàn)解和數(shù)值解的角度研究了彎扭耦合特性，設(shè)計(jì)了5MW彎扭耦合葉片。論文的主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)從材料耦合和結(jié)構(gòu)耦合兩個(gè)方

2、面闡述了大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片的彎扭耦合效應(yīng)。提出了描述葉片彎扭耦合特性的節(jié)點(diǎn)位移法，該方法定義了基于葉片等效梁模型節(jié)點(diǎn)位移的彎扭耦合向量和等效彎扭耦合系數(shù)，從變形的角度將彎扭耦合特性視為葉片的整體屬性，將結(jié)構(gòu)耦合和材料耦合均考慮在內(nèi)。對彎扭耦合效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及彎扭耦合特性描述方法的研究為葉片彎扭耦合特性分析奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)將風(fēng)力機(jī)葉片簡化為復(fù)合材料層合板梁，基于經(jīng)典層合板理論，推導(dǎo)了彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的計(jì)算公式，從材料耦合角

3、度解釋了層合板梁的彎扭耦合現(xiàn)象;推導(dǎo)了在集中力作用下，懸臂復(fù)合材料層合板梁彎扭耦合向量和等效彎扭耦合系數(shù)的解析表達(dá)式;研究了材料耦合、結(jié)構(gòu)耦合中的長度耦合對葉片彎扭耦合特性的影響，并與傳統(tǒng)的截面剛度法進(jìn)行了比較。
　　(3)分別設(shè)計(jì)并制作了具有不同偏軸鋪層角度的均勻?qū)ΨQ鋪層層合板和具有不同耦合區(qū)域的非均勻?qū)ΨQ鋪層層合板;采用懸線法對兩類層合板進(jìn)行了彎扭耦合特性測量實(shí)驗(yàn);制作了與層合板同一材料的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件，測量得到了該材料的力學(xué)性

4、能參數(shù);依據(jù)力學(xué)性能參數(shù)和層合板的幾何尺寸參數(shù)建立有限元模型，計(jì)算了兩類層合板變形及彎扭耦合系數(shù)的數(shù)值解，將實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與數(shù)值解進(jìn)行比較，分析了實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因。研究表明:節(jié)點(diǎn)位移法能夠合理、準(zhǔn)確地描述層合板的彎扭耦合特性，同時(shí)彎扭耦合實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了葉片彎扭耦合特性解析解的研究結(jié)論。
　　(4)采用截面特性計(jì)算方法研究了翹曲效應(yīng)、腹板位置及個(gè)數(shù)，材料耦合和主梁型式對葉片截面耦合的影響;提出了基于三維殼有限元-梁模型的風(fēng)力機(jī)葉片彎扭

5、耦合特性計(jì)算方法;采用該計(jì)算方法分析了材料耦合和結(jié)構(gòu)耦合對風(fēng)力機(jī)葉片主梁彎扭耦合特性的影響。研究結(jié)果表明:翹曲效應(yīng)、腹板的有無及主梁型式對截面耦合影響很大，腹板位置及個(gè)數(shù)、材料耦合對截面耦合的影響可忽略;基于葉片三維殼有限元-梁模型的葉片彎扭耦合特性計(jì)算方法中給出的節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算方法具有較高的計(jì)算效率和精度。對葉片主梁的彎扭耦合特性分析為葉片的彎扭耦合特性研究提供了基礎(chǔ)。
　　(5)基于三維殼有限元-梁模型的風(fēng)力機(jī)葉片彎扭耦合特性計(jì)