【摘 要】
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叶片作为风力机的主要部件，其优越的气动性能及可靠的结构强度是保证风力机正常运行的决定性因素。各截面翼型的选取，是叶片能否获得良好的气动性能与较高的风能利用率的关键；满
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叶片作为风力机的主要部件，其优越的气动性能及可靠的结构强度是保证风力机正常运行的决定性因素。各截面翼型的选取，是叶片能否获得良好的气动性能与较高的风能利用率的关键；满足强度、刚度与寿命要求的叶片结构与铺层形式，是风力机能够稳定运行的保证，同时也决定了叶片的成本。本文选取功率为2MW的叶片，对其气动与结构特性进行深入研究，研究内容主要包括以下几个方面。 （1）为了提高翼型升力系数，使风力机获得较高的风能利用率，本文以DU系列翼型为研究对象，采用尾缘对称加厚的方法对翼型尾缘进行钝化处理，对比不同尾缘厚度的翼型在同一雷诺数不同攻角下的升、阻力系数变化与压力系数变化，结果表明尾缘经钝化处理后翼型升力系数提高，失速攻角增大，且后缘附近压力系数曲线斜率减小，推迟了边界层分离。对2MW功率叶片进行气动外形优化设计，在叶片展向0.2R至0.6R处采用尾缘加厚的翼型，其余部位采用常规翼型，与传统设计的叶片气动性能对比，经钝尾处理后叶片功率达到1.994MW，功率值提升了1.32%，优化效果明显。 （2）基于气动设计结果，对经钝尾优化后的叶片进行了结构设计。将MATLAB与APDL语言相结合，实现叶片参数化建模，通过建立刚性区，将气动载荷以集中力的形式加载到有限元模型上，并进行应力与变形分析。为了实现叶片轻量化，采用遗传算法对叶片结构进行优化设计，以叶片能达到最小质量为目标，以单层层合板厚度为优化变量，在满足应力与位移约束的条件下，得到较轻质量的叶片。与原始叶片对比，质量有很大幅度的降低，优化效果明显。在设计过程中，编写了MATLAB与ANSYS数据接口程序，提高了建模效率，实现了自动迭代寻优过程。 （3）为验证结构优化后叶片的流固耦合特性，基于Workbench平台建立了风力机整机模型，并对其进行单向流固耦合分析。通过CFX软件对风力机进行气动数值模拟，将模拟结果经数据传递加载到固体风力机表面，对风力机进行静力学分析。并对风力机进行动力响应分析，比较了无预应力与耦合状态下的振动结果，验证了设计的合理性。
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