风力机叶片的设计可以分为两个阶段：叶片的气动设计和结构设计。本论文仅涉及叶片的结构设计。本文首先介绍了风力机叶片结构设计的基本理论及基于该理论的风力机叶片结构设计软件 BLADE-SAP。由于在进行叶片结构设计时,精确计算其截面特性对于风力机叶片的结构设计具有重要意义,是大型风力机叶片结构初步设计采用经典梁理论或应用梁单元进行分析计算的一个基础,因此本文介绍了一种普遍适用的叶片剖面几何特性参数计算的数值方法,并以国产200KW风力机叶片为例,介绍了这种数值方法。 随着风力机叶片大型化趋势的发展,叶片结构变得越来越柔,再加上叶片本身材料具有高强度和低模量的特点,因此在极端风载荷的作用下将会产生相当大的挠度。理论上在这种风载荷的作用下,几何非线性因素应该考虑。本文提出了一种基于近似非线性梁理论的修正的差分迭代法计算了叶片的几何非线性变形,并与基于几何非线性有限元法的几何非线性解进行了比较,证明了其具有较高的精度。通过对国产200KW风力机叶片的几何非线性分析,表明对该叶片其线性解和几何非线性解相差甚微,在设计该叶片结构时,可以不考虑几何非线性的影响。且几何非线性解较线性解得到的叶尖挠度小,因此采用线性梁理论得到的计算结果是偏于保守的。 为了防止风力机在运营时发生共振,精确而高效地计算叶片低阶自振频率对于风力机的结构设计具有重要的意义。在叶片结构设计实践中,迭代法、矩阵迭代法是常用的方法。本文分别选取三维壳单元和梁单元对国产200KW风力机叶片结构进行了模态分析,并注意与瑞利法计算得到的结果进行了比较,得出了求解叶片的低阶自振频率时可以把复杂的叶片结构简化为一悬臂梁按照梁单元进行有限元分析的结论,利用瑞利法计算叶片的基频也具有足够的精度,因此在叶片的初步设计阶段也可用来分析风力机叶片的自振特性。