基于偏心O型梁的风力机叶片弯扭耦合效应研究

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气弹裁剪方法,是一种叶片的被动减载荷技术。通过材料或者结构的弯扭耦合设计,使叶片在发生弯曲变形时产生截面的扭转,改变气动攻角,进而减小气动载荷。本文主要采用有限元分析方法,研究了一种O型梁及改进设计结构,在弯曲载荷作用下的扭转耦合问题(含气动弹性),主要开展的工作及研究内容如下:(1)自编程序实现了二阶三维有限元计算,并实现了结构动力学及气动弹性耦合计算,通过对比验证了程序的计算准确性。采用20节点二阶六面体单元,详细介绍了位移矩阵、应变矩阵、高斯积分方法及刚度矩阵形成。通过计算分析一个L型梁的弯曲,验证了有限元程序格式精度。(2)分析了对称的O型梁、内圆偏心O型梁的刚度、固有频率、弯曲扭转耦合效应。采用内圆偏心的方式,梁的总材料、理论弯曲刚度与对称O型梁相等,计算结果也证明了这一点。偏心O型梁因为结构的非对称性,在发生弯曲变形的同时,截面上伴随发生扭转的变形(对称O型梁没有扭转),这种变形与偏心量及梁的厚度都有关系;研究还发现,偏心同时引起扭转模态频率的降低。(3)对O型梁底部和顶部两个内环,异步偏心的影响进行了研究。详细介绍了不同O型梁在静态载荷条件下弯曲扭转形变、频率模态特征及弯扭耦合效应的研究,并对三种不同偏心形式、不同壁厚的O型梁的弯曲刚度、弯扭耦合系数、进行对比分析。(4)采用三维结构动力学算法和一维叶素格罗斯曼空气动力学方法,建立了气动弹性分析程序。采用NACA64318翼型蒙皮及四种梁结构(对称O型梁、三种偏心O型梁),研究了这四种几何模型在分别12m/s、15m/s、18m/s的风致振动现象。通过对最远端叶素的沉浮位移、俯仰角度、升力、扭矩的时间曲线分析,偏心O型梁的沉浮位移振幅(相比较非偏心状态)分别降低25%、50%及70%(颤振状态下),具有很好的减低风致振动幅度的效果。建立自编算法程序,能够节省反复建模、多参数对比分析的时间,对多参数影响的物理问题可以进行较全面的计算对比。同时,研究证明了这种O型主梁偏心结构,能实现较好的弯扭耦合效果,实现了叶片的被动减载,后续可以在此基础上开展更深一步复合材料(复合结构)影响的研究,对大型风力机叶片的减载技术具有借鉴意义。
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