风机叶片 – 结构设计

 结构设计过程将所有的设计原则和制造工艺相结合,以得到高性能与低成本的最优方案。

 

结构工程

叶片设计过程起始于获得气动设计和结构效率的最合理的平衡的评估。材料和制作工艺的选择会影响到叶片的成本及最终的叶片厚度以及可以达到的理想的气动性。因此结构设计过程在如何将设计原则和制造工艺相结合工作中扮演着重要角色,必须找出可以保证高性能与低成本的最优方案。

结构设计 – 流程  

翼面向弯曲

由于风推力产生的翼面向弯曲是最早被认知的也通常是最重要的加载形式,叶片结构中的梁帽和腹板就是为了承担这种载荷而设计的,如上所述设计需要在气动外形和结构效率之间找到一个平衡点,两者都会对发电成本产生影响。因此设计中就需要通过研究厚度变化对发电效率和重量的影响规律,找到最优化的厚度分布。

叶片重量

翼弦向的疲劳载荷取决于叶片的重量,这样在结构设计过程中会产生一个迭代循环。在叶片被制造出来之前,我们无法确切知道它的重量,只能进行估算。在得到叶片重量的较准确数字后,我们会对铺层结构进行优化改进以弥补可能的重量增加带来的附加载荷。此时,可以通过降低材料需用应力来解决疲劳性能的问题,在没有疲劳测试结果的情况下GL提供了确保安全性的强度安全因子,在循环次数为1千万次的情况下,玻璃纤维的安全系数是5,而碳纤维是3,。

抗扭刚度

在叶片基本的抗弯性能(翼面向和翼弦向)确定下来后,接下来需要考虑的就是叶壳的抗扭刚度和抗屈曲强度。叶根的设计要求是能够承担叶片经过螺栓传递给中心转子和粘合剂结点的载荷,使得结点上承受的载荷不超过其承受范围。
                                              

有限元分析

在进行有限元分析以前,设计分析主要是通过一些数据表格或简单的分析方法进行,只能提供大致的不是十分准确地分析结果。有限元分析可以使分析结果更为精确,我们可以采用软件将一个虚拟三维叶片分割成几千个细小单元,就像瓦片一样。通过计算机的分析,我们可以得到每一片的受力情况和力传递过程,从而可以模拟整体受到外力时叶片的反应。


结构设计 – 流程

  • 首先获得所用材料的性能数据,并根据材料和选用的工艺设定安全因子,得到优化后的设计材料性能。
  • 通过翼面向的弯曲载荷设计铺层结构,确认结构设计符合气动设计的要求。
  • 有了基本的铺层设计后,可以通过叶片重量对疲劳载荷进行预估。
  • 测试壳体的抗扭刚度和抗屈曲强度
  • 制定材料和工艺要求,确保重量和成本符合要求。
  • 进一步通过有限元分析对结构设计结果进行验证,包括刚度,强度和疲劳性能等。
  • 完成样机制作并进行实际测试,以验证叶片的极限翼向面可承受负荷和极限疲劳性能,从而修正设计。

 

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