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随着全球气候变暖和我国环境污染的日趋严重,可再生能源的地位越来越重要。自20世纪90年代以来,风电产业迅猛增长,装机容量急剧增加,仅仅在过去的一年内,就新增装机63013MW。而且机组功率不断增大,最大10MW的风机机组即将在2017年开始装机。作为风机的关键部件,叶片性能的优劣将直接影响风机性能的好坏。由于风机所处环境恶劣,叶片承受着复杂循环载荷,而疲劳损伤又是叶片毁坏的主要方面,所以研究风机叶片的疲劳寿命有重要应用价值。 本文研究了风机叶片及其理论,设计出三维模型;运用风机的理论对叶片重力、气动力和离心力等载荷研究计算,分析出正常运行时叶片的疲劳寿命。本文的主要成果如下: 1)研究了风机的基本工作原理及风机叶片的结构尺寸参数,根据叶素理论对叶片特性进行分析,利用软件导出风机叶片翼型,运用数学分析软件matlab对动量理论进行迭代计算,得到风机叶片的几个关键参数:弦长、扭角、轴向和周向因子,运用matlab对计算结果拟合,得出拟合曲线,并利用三维建模软件UG完成风机叶片模型的创建。本文的设计方法可缩短叶片设计过程,提高设计效率。 2)研究风机叶片铺层设计方法,在研究的基础上,设计了风机叶片根部、主梁、前缘、后缘和腹板的铺层;运用GH Bladed,计算叶片所受载荷并对结果进行处理,添加至叶片表面;对不同部位应力和应变规律进行分析,叶片根部为应力最大部位,最大变形部位为叶片端部;对叶根部位的复合材料层间力进行了分析,发现-45°铺层的层间应力最大,而且应力随铺设角度的不同呈现出周期性变化。 3)研究叶片模型的静力学特性,模态分析和谐响应分析,对叶片应力应变和变形、振动频率以及振型和激励载荷对叶片的影响进行分析,并对所设计模型的有效性进行了验证。 4)利用 matlab生成了随机载荷,并利用 nCode生成载荷谱;运用 nCode得出玻璃纤维材料的S—N曲线;运用nCode软件对在额定转速下的风机叶片载荷进行疲劳寿命研究,分析表明:设计叶片在正常转速下,其疲劳寿命比预期的20年寿命值高出很多。表明本文2MW级风机叶片在正常运行时运行20年是安全的。 5)文中研究叶片模型和材料时,运用“分段”的研究方法,该研究方法和结果可为今后的设计及优化提供参考。