风力发电机叶片结构及有限元分析

基于有限元分析的低风速风力发电叶片结构优化设计随着气候变化和对可再生能源的需求增加，风力发电被广泛用于发电领域。

在风力发电机组中，风力发电叶片作为转动装置的核心部分，其结构设计对提高发电效率和延长使用寿命起着至关重要的作用。

本文将基于有限元分析来进行低风速风力发电叶片的结构优化设计，旨在提高其性能并提供可靠的参考。

首先，我们需要明确低风速风力发电叶片面临的挑战。

低风速条件下，叶片受到的风力较小，因此叶片的结构设计需要更加精细，以提高其受力性能。

在这种情况下，我们可以从以下几个方面着手进行优化设计：1. 材料选择：选取适合低风速环境的材料，如具有高强度和耐腐蚀性能的复合材料。

这些材料能够有效抵抗风力带来的压力和震动，同时能够延长叶片的使用寿命。

2. 叶片几何形状设计：通过优化叶片的几何形状，例如叶片的扭转角度、翼型和翼尖设计，可以使其更好地适应低风速环境。

同时，适当调整叶片的长度和弯曲程度，可以提高叶片的受力效果。

3. 内部结构优化：通过有限元分析来模拟叶片的受力情况，可以查明叶片受力的关键部位，并进行相应的结构优化。

例如，在关键受力部位添加合理的加强筋或支撑杆，可以增强叶片的刚性和受力性能。

4. 动态平衡设计：叶片的动态平衡对于提高风力发电机组的运行平稳性和延长叶片使用寿命至关重要。

通过模拟叶片在运行时的振动情况，并调整叶片结构或添加平衡配重，可以实现叶片的动态平衡设计。

在进行上述优化设计时，有限元分析是一个非常有效的工具。

有限元分析通过将复杂的结构划分为有限个小单元，通过数值计算的方法来分析结构的受力状态和变形情况，从而揭示结构设计中的问题和优化方法。

通过有限元分析，我们可以确定叶片的关键受力部位，提出相应的优化方案，并对优化后的叶片进行性能验证。

除了有限元分析，我们还可以借助计算流体力学（CFD）模拟等方法来进一步优化设计。

CFD模拟可以模拟叶片在风场中的流动情况，结合叶片的几何形状和材料性能，优化叶片的气动特性，提高风力发电机组的整体效率。

风力机叶片的有限元分析学生姓名：卢取专业班级：机械设计制造及其自动化2008级10班指导教师：朱仁胜指导单位：机械与汽车工程学院摘要：通过Solidworks软件对3MW风力机叶片进行建模，然后基于ANSYS 和Workbench分别对其进行模态分析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的结构静力分析部分也使用到了ANSYS Mechanical APDL。

其中模态分析结果表示：叶片的振型以摆振和弯曲为主，其一阶模态频率分别为 0.34Hz，能顺利的避开外在激励频率，避免了共振现象的发生。

流固耦合分析对额定风载进行了数值模拟仿真，通过结构静力分析，对叶片的受力，变形情况有了一个基本的了解，其中叶片在额定风载情况下的最大应力为56MPa，远远低于其实测拉伸强度的720MPa。

在11级风载下的应力云图显示其所受的最大应力为83.8MPa，满足其材料的强度要求。

该分析对进一步的疲劳分析和优化设计等提供了参考和依据。

关键词：叶片建模；模态分析；流固耦合分析；结构静力分析Abstract:Through the Solidworks software build the blade model which power is 3 MW. Then based on the ANSYS and Workbench software,the analysis of modal and fluid-structure interaction.Andthe Static structural analysis is used the ANSYS Mechanical APDL too.The modal analysisresults show that the vibration modes of this blade are presented as Shimmy and bending,Thefirst modes frequency is 0.34Hz.And it can avoid the external excitation frequencywell,Avoid the resonance phenomenon occurs.The analysis of fluid-structure interaction havedo a numerical simulation about Rated wind load,through the Static structural analysis wehave a basic understanding of the stress and deformation about the blade. And the maximumstress of the blade is 56MPa under the rated wind load.Far lower than the Measured tensilestrength of 720MPa.And under the 11 rating wind load.The stress cloud show that maximumstress is 83.8MPa,Meet the strength of the material requirements.This analysis providesa reference and basis for further fatigue analysis and optimization design.Keywords:Blade modeling；Modal analysis；Fluid-structure interaction analysis；Static structural analysis1 概述风能是地球表面大量空气流动所产生的动能，风能量具有取之不尽、用之不竭、就地可取、不需运输、广泛分布、不污染环境、不破坏生态、周而复始、可以再生等诸多优点。

风力发电机叶片结构设计及其有限元分析摘要为了更好地发展我国的风力发电事业，实现风力发电机的国产化，必须深入开展风力机设计、分析方面的研究。

本文根据传统的的叶片设计方法设计了2MW 风力机叶片，并生成三维几何模型，然后利用有限元模拟对叶片进行了振动模态分析，得到各阶振动频率和振型，为防止结构共振提供了依据。

关键词：风力机，叶片，有限元模拟，优化THE FE SIMULATION AND OPTIMAL DESIGN OF WIND TURBINE COMPONENTSABSTRACTIn order to promote the capability of design and manufacturing of wind turbine in China, more study should be done in the field of wind turbine design and analysis. In this paper, a blade for 2MW wind turbine is designed according to the traditional design procedure and the 3D geometrical model is created. Then the modal analysis is done through the FE simulation to get the frequency and mode shape, which provides the theoretic basis to prevent resonance.KEY WORDS: wind turbine, blade, FE simulation, optimization第一章绪论1.1 能源问题及可再生能源的现状与发展受世界经济的发展和人口增长的影响，世界一次性能源消费量持续增加，1990年世界国生产总值为26.5 万亿美元(按1995 年不变价格计算)，2000 年达到34.3万亿美元，年均增长2.7%。

风力发电机叶片振动特性有限元分析
风力发电机叶片振动特性有限元分析是一个研究风机叶片在风力发电机系统工作运行
过程中的振动特性的课题，它也是一种按照建模有限元方法分析和研究不同类型叶片在振
动状态下振动情况及因而产生的振动响应特性，以此获得一些振动特性曲线，为叶片的后
续受力分析提供一定的参考依据。

风力发电机的叶片的振动特性受结构特征、工作状态、操纵荷载及其他因素影响，其
中最主要的因素是外界环境的变化和操纵荷载给叶片产生的共振往复运动中叶片失衡所带
来的混沌振动。

叶片失衡可以将能量传递给叶片，使得叶片频率和振动幅值都会发生变化。

工程计算中，通过有限元方法，对特定的叶片进行模拟计算，在计算模型中设置合适
的单元，并考虑叶片的实际特性和外部环境的实际参数，以计算叶片的力学特性和形变性，确定其受力状态。

通过分析叶片的振动行为来确定叶片在持久性受力或短时间受力期间振
动特性和幅值。

有限元分析，是根据对物体空间变形分析结果估计材料应力-应变-弹性模量及其其他
性能特性，以便求解物体力学问题的一种数值分析方法。

通过有限元分析，可以得到叶片
在振动状态下的振动应力、振动分布，还可以建立准确的运动方程，以及使用Matlab等
软件对振动特性曲线进行拟合，以选择合适的叶片安全性和整体能耗最小的解决方案。

通过分析叶片的振动特性，可以更好地理解叶片在振动状态下的运动情况，给出合适
的设计方案，以期提高风力发电机系统效率，不断改进整个发电系统的设计、结构和叶片
运行性能，最终达到长期维护和重复利用叶片的目的。

基于有限元分析的风力发电机组结构优化设计1. 引言风力发电作为一种可再生能源的重要形式，已逐渐成为人们关注的焦点。

风力发电机组的结构设计是提高其效能和可靠性的重要方面。

有限元分析作为一种重要的工程分析方法，可以用于优化风力发电机组的结构设计，提高其性能。

本文将基于有限元分析，探讨风力发电机组结构的优化设计方法。

2. 风力发电机组结构分析首先，我们需要对风力发电机组的结构进行详细的分析。

风力发电机组通常由风轮、主轴、发电机和塔构成。

其中，风轮是最关键的部件之一，其承受着风力的作用，并将其转化为机械能。

主轴将机械能传递给发电机，通过发电机将机械能转化为电能。

3. 有限元分析在风力发电机组结构设计中的应用有限元分析是一种基于数值计算的工程分析方法，可以用于优化风力发电机组的结构设计。

通过有限元分析，可以对风力发电机组的结构进行模拟和仿真，得到其受力情况和变形情况，进而进行优化设计。

3.1 风轮受力分析首先，对风轮进行受力分析是风力发电机组结构设计的重要一步。

风轮在运行过程中承受着风力的作用，因此需要对其受力情况进行分析。

通过有限元分析，可以模拟风轮在不同风速下的受力情况，进而确定其最大受力点和受力分布情况。

3.2 主轴及连接部件的优化设计主轴及连接部件在风力发电机组中起着关键的作用。

通过有限元分析，可以对主轴及连接部件进行优化设计。

例如，可以通过仿真和分析，确定主轴的合适材料和截面尺寸，以提高其强度和刚度。

同时，还可以对连接部件进行优化设计，确保其在运行过程中不会出现破裂或松动等问题。

3.3 塔的结构分析与设计塔是支撑风力发电机组的重要组成部分，其结构的合理性直接影响到整个机组的稳定性和安全性。

通过有限元分析，可以对塔的结构进行模拟和分析，确定其在不同载荷下的变形情况和应力分布。

进而，可以对塔的结构进行优化设计，以提高其刚度和稳定性。

4. 结果与讨论通过以上的有限元分析和优化设计，我们可以得到风力发电机组结构的优化设计结果。

基于有限元分析的风力发电机组结构优化研究随着能源问题日益严重，风力发电逐渐成为一种被广泛运用的能源利用形式。

其中，风力发电机组的结构优化研究因其能够在提升发电效益的同时减少设备损耗而备受关注。

本文将基于有限元分析的方法，对风力发电机组结构优化进行研究探讨。

第一部分：风力发电机组结构分析风力发电机组通常包括叶轮、发电机、齿轮减速箱等组成部分。

其中，叶轮是风力发电机组中最关键的部分，其结构的设计与优化直接影响着整个风力发电机组的发电效益。

叶轮的主要结构包括叶片、减速器、轴承、轴等部分。

叶片是叶轮结构中最重要的组成部分，其形状、尺寸和材料选择等参数的优化都将影响着叶轮的整体性能。

因此，在叶轮结构的优化设计中，需要依靠理论计算和实验测试相结合的方法，进行叶片结构参数的选取和优化。

第二部分：基于有限元分析的风力发电机组结构优化有限元分析是一种常用的工程结构分析方法。

其原理是将结构分割成有限的部分，在每一部分上建立一个方程，然后将所有方程联立起来，形成一个求解整个结构的模型。

通过此方法得到的结果可以较准确地反映结构的受力性能和变形情况。

于是，我们可以运用有限元分析的方法，对风力发电机组整体结构进行力学分析和优化设计。

在此过程中，可以对各个结构部件的力学特性进行模拟计算，以寻求最佳设计方案。

第三部分：风力发电机组结构优化设计的实例以某型号风力发电机组为例，我们可以运用有限元分析的方法对其结构进行优化设计。

首先，通过对叶轮结构进行分析，确定其所受力的大小和方向，进而确定叶片和叶轮的结构尺寸和材料选择。

其次，利用有限元模拟计算的方法，对叶轮的应力和变形等参数进行分析。

在此基础上，可以进行优化设计，如调整叶片倾角、优化叶片虚弯等参数，进而改善整个叶轮结构的力学性能。

最后，根据优化设计方案，对风力发电机组的结构进行再次设计和调整，并进行实验验证。

在实验的过程中，需要对叶轮的输出功率、风速响应等参数进行测试和分析，以验证优化设计方案的可行性和有效性。

基于有限元的风力机叶片结构特性分析在目前的新能源领域发展史上，风能的速度日新月异。

但风电机组运行环境使得风力机叶片的运行中承受着巨大的动态和静态载荷;其动态特性、结构强度和稳定性对风力发电机组可靠运行起着非常重要的作用。

在此，针对某风力机叶片的结构进行动态特性—模态进行有限元计算分析。

得出结论：叶片在测试中，挥舞和摆振是前四阶振动的主要体现形式;总体看挥舞方向刚度比摆振方向刚度小，故挥舞方向固有频率低，为后期风力机叶片结构设计提供参考。

标签：特性分析;叶片结构;风力机引言风资源的应用在全球新能源和可再生能源行业中创造了最快的增长速度，是目前世界上能源领域发展最快的技术之一。

而宁夏回族自治区能源发展“十三五”规划中也有明确指出，要在2020年风电装机达1100万千瓦建成5个大型风电场，实现风资源有序开发。

但是风力机运行环境一般比较恶劣，风力机叶片的运行情况和受载复杂，其动态特性分析对叶片结构及风力发电机组的可靠性设计起着非常重要的作用[1]。

1. 叶片的基本参数及结构型式1.1 叶片的基本参数研究对象风力机叶片基本参数如下：额定功率：1500KW;功率控制：变桨;风轮直径：82.5m;切入风速：3m/s;切出风速：25m/s;转速范围：10.3～20.7rpm;额定转速：17.4rpm;最大功率系数：0.489;叶尖最大挠度：6.3 m最佳尖速比：9.0;錐角：3°;旋转方向：顺时针;叶片数：3片;轮毂高度：80 m;长度：40.25 m;最大弦长：3.183 m;扭角：16°;1.2 叶片结构型式叶片作为风电机组中获得风资源的主要部件，保证风力机正常运行的决定因素即为其优良的结构设计。

叶片结构设计的目的就在于使其具有恰当的外形和合理的复合纤维铺层结构，以确保叶片在受载时不发生局部失效[2]。

3叶片采用单梁双腹板结构，分别由2个叶片壳体（参见图1）组成完整的叶片，形成空气动力学形状的叶片壳体（A）是由±45°、0°/±60°、90°/±45°和0°单向复合毡等玻璃纤维为基础的环氧基复合压和夹层板（沿叶片纵向方向）制造。

复合材料风力叶片结构的有限元分析的开题报告一、背景及研究意义随着全球能源危机和环境问题的加剧，清洁能源的发展和应用得到了普遍关注和认可。

风能作为一种清洁、可再生的能源，在全球得到了快速发展。

风能发电机的核心部件是风力叶片，其质量和质量分布不仅直接影响到风力发电机的性能和经济性，而且还决定了风力发电机的可靠性和维护成本。

传统的风力叶片主要采用玻璃纤维增强塑料（GFRP）或碳纤维增强塑料（CFRP）作为增强材料，高强度金属或木材作为核心材料制作而成。

这种传统的材料组合具有良好的力学性能和可加工性，但存在热膨胀系数低、腐蚀和老化等问题。

为了克服这些问题，研究人员开始探索复合材料风力叶片的应用。

复合材料具有高的强度和刚度、低比重、优异的气动性能和高的抗腐蚀性能，因此逐渐成为风力叶片的主流材料。

然而，复合材料结构的力学行为具有很大的非线性和不确定性，具有复杂的损伤和破坏过程，传统的破坏力学分析方法难以全面分析其力学性能和破坏机制，因此有限元分析技术成为分析复合材料风力叶片结构力学性能和破坏机制的有效方法。

目前，有限元分析技术已经广泛运用于风力叶片结构的设计和优化中，其结果对于提高风力发电机性能和优化结构具有重要意义。

二、研究内容和方法本研究将基于ANSYS有限元分析软件，针对典型的复合材料风力叶片结构，采用二次开发的有限元模型，对其力学性能和破坏机制进行分析。

具体来说，本研究将从以下方面入手：1. 建立复合材料风力叶片结构的三维CAD模型，对叶片进行建模。

2. 基于ANSYS软件，采用二次开发的有限元模型，进行叶片结构的力学分析，包括静力学、动力学和模态分析等。

3. 分析叶片结构的载荷和变形特性，结合CFD流场分析，研究叶片的气动特性，并对其进行优化。

4. 结合工程实际，对叶片中常见的损伤和破坏形式进行分析，并探究其破坏机制和影响因素。

5. 提出优化建议，改进复合材料风力叶片结构，提高其力学性能和可靠性。