水平軸風力機葉片的設計及流固耦合計算.pdf

1、本文針對功率為3MW的大型風力機進行葉片設計，實現(xiàn)從葉片幾何模型設計建立、結構形式確定到復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合的方式形成一套風力機葉片設計的總體方案。
　　 首先根據相關資料和理論計算出葉片的設計參數(shù)，包括風輪半徑、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計，選定了一組包括FFA-W3-301和NACA63-415等的翼型進行設計，并通過調

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入到ANSYS Workbench中進行進一步的處理，添加了葉片內部的腹板，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，包括風速和湍流強度、湍流長度尺度等，設置了載荷步數(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)響應曲線，得到葉片表面最大正風壓值為963.5Pa，與理論的基本風壓接近，從而判定有限元計算結果的具有一定的可靠性，且在0.4s時葉片有最大的變形，對應的結果將作為設計下一部設計的依據。

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