指導教授：張正憲臺灣大學：應用力學研究所莊怡亭Jhuang, Yi-TingYi-TingJhuang2014-11-302018-06-292014-11-302018-06-292014http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/264096本文主要目標為設計葉片強度可承受風速60m/s而不致失效。在葉片外型設計上以葉素動量理論所發展的氣動力理論，對翼型型號NACA4412做葉片功率係數最佳化設計。葉片的負載分別來自於二維流場分析與三維流場分析的結果，二維流場的紊流模型為Standard k-ε，二維流場的紊流模型為SST k-ω。葉片材料採用E-glass/expoxy、Aramid/expoxy、Graphite/expoxy這三種複合材料以不同纖維方向疊層組合，並以最大應力準則和Tsai-Wu破壞準則為葉片失效準則。 結果顯示，三維流場對於葉片氣動力分析結果較二維流場保守，Tsai-Wu破壞準則比最大應力破壞準則更加保守較適用於層板的破壞分析。葉片疊層設計上增加單層厚度可有效地增加材料的強度，但在同總厚度下，擺放較多層纖維不一定具有較高的材料強度。The main purpose of this thesis is to design the strength of wind turbine blades which can sustain the wind speed 60m / s without fail. Optimize the power coefficient in aerodynamic based on the blade element momentum theory by using blade model NACA4412.The loads of blade come from the results of two-dimensional flow field analysis and three-dimensional flow field analysis. The turbulence model of two-dimensional flow field is Standard k-ε and the turbulence model of three-dimensional flow field is SST k-ω.The blades ,which are made from E-glass/expoxy、Aramid/expoxy and Graphite/expoxy three composites laminate in different combinations of fiber direction, follow the maximum stress criterion and Tsai-Wu failure criterion. The result show, it is more conservative using three-dimensional flow field to analyze than using the two-dimensional flow field. Tsai-Wu failure criterion is more suitable for laminate failure analysis than the maximum stress failure criterion. Increasing the single layer thickness can increase the strength of the composite materials effectively in the laminate design of the blade. However, it is not necessarily that more fiber material related to higher material strength in the same total thickness.摘要 i 英文摘要 ii 目錄 iii 圖目錄 vi 表目錄 viii 1.序論 1 1.1前言 1 1.2文獻回顧 4 1.2.1風力機理論 4 1.2.2風力機流場 5 1.2.3風力機葉片 7 1.3研究動機 8 1.4論文架構 8 2.風力機葉片設計基本理論 10 2.1翼型基本知識 10 2.1.1翼型幾何參數 10 2.1.2作用在翼型上的空氣動力 11 2.2葉片設計基本理論 11 2.2.1動量理論 11 2.2.2貝茲極限(The Betz limit) 14 2.2.3尾流旋轉效應(Wake rotation) 15 2.2.4動量理論考慮尾流旋轉效應 16 2.2.5葉素理論 17 2.2.6 葉素動量理論(Blade element momentum theory) 19 2.2.7 Wilson理論 20 2.3葉片最佳化設計 21 2.3.1風力機葉片參數的選定 21 2.3.2 Wilson最佳化設計方法 23 2.3.3使用Matlab對葉片作最佳化設計 24 2.4單向複合材料之單層板理論 27 2.4.1單層板(lamina)力學概述 27 2.4.2 最大應力準則(Maximum Stress Criterion) 29 2.4.3 Tsai-Wu破壞準則 30 3. 模擬方法與分析架構 32 3.1二維風場模擬 33 3.1.1二維風場網格建立 33 3.1.2二維風場求解設定 35 3.2三維風場模擬 37 3.2.1三維風場網格建立 37 3.2.2三維風場求解設定 40 3.3葉片有限元素模型建立 43 3.3.1有限元素軟體ANSYS簡介 43 3.3.2葉片有限元素模型建立 45 3.3.3葉片元素屬性表建立 47 3.3.4葉片網格切割 50 3.3.5葉片負載描述 51 4. 結果與討論 52 4.1二維風場模擬結果 52 4.1.1二維風場所求之葉片受力 52 4.1.2 二維風場流場觀察 55 4.2三維風場模擬結果 57 4.2.1三維風場網格收斂性分析 57 4.2.2 三維風場模擬結果 58 4.3葉片靜力分析 62 4.3.1 最大應力準則 62 4.3.2 Tsai-Wu破壞準則 67 4.4 葉片疊層設計修正 68 4.4.1疊層設計修正葉片層數. 68 4.4.2複合材料葉片與鋁合金葉片之比較 74 5.結論與未來展望 75 5.1結論 75 5.2未來展望 76 參考文獻 774237701 bytesapplication/pdf論文使用權限：不同意授權複合材料風力發電機葉片葉片最佳化疊層設計數值模擬FLUENTANSYSthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/264096/1/ntu-103-R00543050-1.pdf