大型风力机叶片快速建模及损伤模拟方法研究

作     者：杜昊天 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘纲

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：风力机叶片 复合材料 等效均匀法 分层刚度退化 损伤模拟 

摘      要：为满足社会日益增长的能源需求及降本增效,风力发电单机额定功率近年稳步提升,其叶片尺寸日趋大型化。考虑到气动外形、结构受力及轻质化设计等多种要求,大型叶片由单层均质材料向多层复合材料发展。复杂的气动外形及复合材料铺层设计,导致叶片有限元建模分析的难度与日俱增。鉴于此,本文基于复合材料均匀化思想,结合扩展Bredt-Batho剪切流理论,提出了一种基于等效均匀化原理的大型风力机叶片有限元快速建模方法。在此基础上,引入损伤刚度退化理论,模拟了裂缝、分层等叶片常见局部损伤,研究了典型频域损伤识别指标对叶片损伤的敏感性。制作了复合材料夹芯梁,通过实验验证所提建模方法和典型损伤识别指标的适用性,为大型风力机叶片的有限元建模分析和局部损伤识别提供了技术支撑。本文主要研究工作及结论如下:(1)针对商用有限元软件建立风力机叶片模型过程繁琐、计算成本高的问题,提出了基于复合材料等效均匀化理论的大型风力机叶片快速建模分析方法。首先,分析风力机叶片在实体、壳和梁单元三种建模策略下的特点,总结风力机叶片梁单元建模的优势与不足;其次,结合复合材料均匀化思想、扩展Bredt-Batho剪切流理论,采用分段等效原理提出了大型风力机叶片快速建模分析方法;最后,利用Python语言编制了相应的有限元程序。数值模拟结果表明,所提方法的计算精度与实体建模所得结果相当,但计算效率提高了约4倍。此外,NREL 5MW风力机叶片数值模拟结果表明,所提方法与商用有限元软件计算误差约为4%,表明所提方法具有较好的适用性。(2)针对传统方法采用整体刚度折减无法准确模拟复合材料叶片损伤的问题,采用所提出的有限元建模方法,通过分层折减损伤部位刚度的方式,分别模拟了叶片前缘开裂、分层以及后缘脱粘损伤。分析不同损伤位置、程度对叶片固有频率及振型的影响,并选取几种典型频域损伤识别指标进行叶片局部损伤的识别。数值模拟结果表明,相比于曲率模态差、模态柔度差等指标,在不同损伤位置、程度下,模态柔度曲率差指标的识别结果较为准确。(3)在实验室制作了一组三层夹芯复合梁,并采用人工切割打磨方式模拟复合梁不同位置、程度的损伤。测量其在不同工况下的加速度响应信号,并采用频域分解法辨识结构的频率和振型;在此基础之上,采用第二章所提方法对复合梁进行建模分析,并采用典型频域损伤识别指标进行损伤识别。分析结果表明,在无损状态及存在不同位置、程度的损伤状态下,利用所提建模方法建立的数值模型前3阶频率与实测结果具有较好的一致性,表明所提方法具有较好的实用性。此外,典型频域损伤识别指标的识别效果表明,相比于平均曲率模态损伤因子,利用模态柔度曲率差能更准确地识别结构损伤。