風(fēng)力機(jī)葉片的有限元分析

1、<p>　　風(fēng)力機(jī)葉片的有限元分析 </p><p>　　摘 要：通過(guò)Solidworks軟件對(duì)3MW風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行建模，然后基于ANSYS 和Workbench分別對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的結(jié)構(gòu)靜力分析部分也使用到了ANSYS Mechanical APDL。其中模態(tài)分析結(jié)果表示：葉片的振型以擺振和彎曲為主，其一階模態(tài)頻率分別為 0.34Hz，能順利的避開(kāi)外在激勵(lì)頻率，避免

2、了共振現(xiàn)象的發(fā)生。流固耦合分析對(duì)額定風(fēng)載進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，通過(guò)結(jié)構(gòu)靜力分析，對(duì)葉片的受力，變形情況有了一個(gè)基本的了解，其中葉片在額定風(fēng)載情況下的最大應(yīng)力為56MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其實(shí)測(cè)拉伸強(qiáng)度的720MPa。在11級(jí)風(fēng)載下的應(yīng)力云圖顯示其所受的最大應(yīng)力為83.8MPa，滿(mǎn)足其材料的強(qiáng)度要求。該分析對(duì)進(jìn)一步的疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供了參考和依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：葉片建模；模態(tài)分析；流固耦合分析；結(jié)構(gòu)靜力

3、分析</p><p>　　Abstract: Through the Solidworks software build the blade model which power is 3 MW. Then based on the ANSYS and Workbench software,the analysis of modal and fluid-structure interaction.And the

4、Static structural analysis is used the ANSYS Mechanical APDL too.The modal analysis results show that the vibration modes of this blade are presented as Shimmy and bending,The first modes frequency is 0.34Hz.And it can a

5、void the external excitation frequency well,Avoid the resonance phenomenon occurs.The</p><p>　　Keywords: Blade modeling；Modal analysis；Fluid-structure interaction analysis；</p><p>　　Static struc

6、tural analysis</p><p>　　1概 述 </p><p>　　風(fēng)能是地球表面大量空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能，風(fēng)能量具有取之不盡、用之不竭、就地可取、不需運(yùn)輸、廣泛分布、不污染環(huán)境、不破壞生態(tài)、周而復(fù)始、可以再生等諸多優(yōu)點(diǎn)。人類(lèi)利用風(fēng)能的歷史可以追溯到西元前，但數(shù)千年來(lái)，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，沒(méi)有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來(lái)，

7、在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長(zhǎng)足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無(wú)污染和可再生的能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對(duì)沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場(chǎng)，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。即使在發(fā)達(dá)國(guó)家，風(fēng)能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。</p><p>　　風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組承受

8、風(fēng)載的關(guān)鍵部件。一個(gè)優(yōu)良的葉片應(yīng)該具有高的捕風(fēng)能力、高壽命并且能夠承受當(dāng)?shù)貥O限風(fēng)載的能力。所以對(duì)葉片進(jìn)行一系列的有限元分析來(lái)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等是否能滿(mǎn)足其在規(guī)定環(huán)境下的長(zhǎng)期運(yùn)行具有很高的實(shí)際意義。</p><p><b>　　2葉片建模</b></p><p>　　該論文葉片模型是以3MW水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為例，葉片翼型為NACA4412。其葉片的三維模型是通過(guò)So

9、lidworks軟件建立的。葉片的建模前需要確定葉片的長(zhǎng)度尺寸、葉素的弦長(zhǎng)L和葉素的安裝角β。下面就來(lái)確定以上參數(shù)并進(jìn)行建模。</p><p><b>　　葉片長(zhǎng)度的計(jì)算</b></p><p>　　在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于給定功率的風(fēng)力機(jī)葉輪直徑直接由下式給出： </p><p>　　式中: D—風(fēng)力機(jī)葉輪直徑；</p>

10、<p>　　P—風(fēng)力機(jī)輸出功率，其中取P=3MW；</p><p>　　CP— 風(fēng)能利用系數(shù)，高速風(fēng)力機(jī)一般取CP=0.4；</p><p>　　η—機(jī)械傳動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)效率，取η=0.81； </p><p>　　ρ—空氣密度，取ρ=1.225Kg/m3； </p><p>　　Vn—額定風(fēng)速，取Vn=13m/s。 </p

11、><p>　　經(jīng)計(jì)算求得D≈93.59m，所以取D=94m，即葉片長(zhǎng)度為47m。</p><p>　　考慮到目前國(guó)內(nèi)外的風(fēng)力機(jī)大部分是采用三葉片的，并且三葉片的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行和功率輸出比較平穩(wěn)，所以選擇葉片數(shù)為B=3。同時(shí)確定葉尖速比λ0=6。 </p><p>　　2.2 葉素的弦長(zhǎng)和安裝角的計(jì)算</p><p>　　應(yīng)用渦流理論設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片

12、，把葉片分成若干個(gè)葉素，分別對(duì)各葉素在最佳運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。</p><p>　　計(jì)算參數(shù)背景：風(fēng)力機(jī)回轉(zhuǎn)直徑（即葉輪直徑D），風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)目B，葉尖速比λ0，攻角i，升力系數(shù)CL，r/R的比值關(guān)系（R即為回轉(zhuǎn)半徑，r是葉素的回轉(zhuǎn)半徑）。在這里將r/R=1/n、2/n、3/n……1，在此取n=20，即將其整個(gè)葉片分為20份進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　其葉素的弦長(zhǎng)L和安裝

13、角β的計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　其中，，，，。</b></p><p>　　取其攻角i=6°，設(shè)計(jì)升力系數(shù)CL=1.9?？紤]到葉片的根部對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率貢獻(xiàn)不大，所以計(jì)算并非從葉根部位開(kāi)始算起，而是以葉展方向r=9.4m處開(kāi)始計(jì)算，將其9.4m~47m等分為20份，即每隔1.88m建立基準(zhǔn)面并繪制相應(yīng)的葉素輪廓。</p>

14、<p>　　2.3 Solidworks建模 </p><p>　　基于以上參數(shù)，用簡(jiǎn)單的放樣和放樣切割指令即能完成葉片建模，葉片模型如圖2.1所示，截面圖如圖2.2所示。 </p><p>　　圖2.1 葉片模型 圖2.2 截面圖&l

15、t;/p><p>　　以上模型僅適用于模態(tài)分析，而流固耦合分析模型需要將整個(gè)風(fēng)輪模型建立，風(fēng)輪模型如下圖2.3、圖2.4所示。這兩個(gè)模型分別是流固耦合分析在Workbench和ANSYS經(jīng)典界面所用的模型，圖2.4中的葉片也是實(shí)心。兩模型在外觀上完全相同。</p><p>　　圖2.3 流固耦合模型（Workbench） 圖2.4 流固耦合模型（ANSYS經(jīng)典）&l

16、t;/p><p>　　雖然本文主要任務(wù)是有限元分析，但在此花了大量篇幅來(lái)對(duì)建模進(jìn)行敘述。主要是由于一個(gè)好的模型可以為后文分析的順利進(jìn)行提供更好的支持。</p><p><b>　　3模態(tài)分析</b></p><p>　　3.1 模態(tài)分析概述</p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)中，研究彈性體振動(dòng)問(wèn)題的重要目的就是避免共振，具體的

17、機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看成是多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，具有多個(gè)固有頻率，在阻抗試驗(yàn)中表現(xiàn)為多個(gè)共振區(qū)，這種在自由振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)所具有的基本振動(dòng)特性稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的模態(tài)。結(jié)構(gòu)模態(tài)是由結(jié)構(gòu)本身的特性和材料特性所決定的，與外載荷等條件無(wú)關(guān)。</p><p>　　風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，也是風(fēng)力載荷直接作用的部件。對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)葉片，由于葉片自身的重量也是一個(gè)不可忽略的載荷，然后再加上一些外載荷的影響，風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，很容易發(fā)

18、生振動(dòng)，而導(dǎo)致葉片的破壞。為了避免葉片發(fā)生共振而造成破壞就需要對(duì)葉片就行模態(tài)分析，確定其固有頻率和振型，從而分析出其在外載荷作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。</p><p>　　3.2 葉片模態(tài)分析</p><p>　　該模態(tài)分析的方法和常規(guī)的模態(tài)分析完全相同，選擇的單元類(lèi)型為SOLID45。材料屬性參考了其它論文，選擇基體材料為環(huán)氧玻璃鋼，該材料的比強(qiáng)度、比模量、耐久性和耐腐蝕性都能滿(mǎn)足運(yùn)行環(huán)境

19、的要求。其楊氏模量（EX）為1.92E10，泊松比（PRXY）為0.15，密度（DENS）為1850 Kg/m3。葉片的有限元模型如圖3.1所示，其網(wǎng)格劃分模型放大圖如圖3.2所示。然后在葉根</p><p>　　圖3.1 有限元模型 圖3.2網(wǎng)格局部放大</p><p>　　的截面加上全約束（ALL DOF），約束的施加需和實(shí)際情況

20、相同。從而求解得到模態(tài)頻率如表3.1所示，單位為Hz。前四階模態(tài)振型分別如下圖3.3（a）~（d）所示。</p><p>　　表3.1 葉片模態(tài)頻率</p><p><b>　　（b）</b></p><p>　?。╟） （d） </p>&

21、lt;p>　　圖3.3 模態(tài)振型 </p><p>　　經(jīng)參考海風(fēng)的頻率大致在0.1至0.2Hz，該模型的一階模態(tài)頻率約為0.34Hz，能很好的避開(kāi)外在激勵(lì)頻率。前七階模態(tài)振型均以擺振為主，在第八階之后出現(xiàn)了扭振情況。</p><p><b>　　4流固耦合分析</b></p><p>　　4.1 流固耦合概述</p&

22、gt;<p>　　流固耦合定義：流體與固體之間流體動(dòng)力、結(jié)構(gòu)彈性與慣性力之間的耦合作用。流固耦合分析（Fluid—Structure Interaction Analysis）是研究可變形固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體變形對(duì)流場(chǎng)影響這二者相互作用的一門(mén)分析方法。在某些特定研究和分析中，由于涉及的固體變形和流場(chǎng)變化都不能忽視，流固耦合分析顯得極為重要和必不可少。</p><p>　　該論文為單向的

23、流固耦合分析，單項(xiàng)流固耦合分析是指耦合交界面處的數(shù)據(jù)傳遞是單向的，一般是指把由CFX計(jì)算的結(jié)果（如力、溫度等）傳遞給固體結(jié)構(gòu)，但是沒(méi)有固體結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果傳遞給流體的過(guò)程。</p><p>　　流固耦合分析是基于流體和固體的控制方程，然后建立控制方程的基本形式，給定各參數(shù)以及適當(dāng)?shù)某跏紬l件和邊界條件，統(tǒng)一求解的。</p><p>　　4.2 風(fēng)輪流固耦合分析 </p>

24、<p>　　該畢業(yè)設(shè)計(jì)流固耦合分析涉及的操作環(huán)境有Workbench和ANSYS經(jīng)典。在Workbench主要工作是流體的計(jì)算，然后再將CFX-Post的風(fēng)力載荷通過(guò)耦合界面?zhèn)鬟f到ANSYS經(jīng)典中進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。分析流程圖如圖4.1所示。下面就詳細(xì)介紹該分析過(guò)程。</p><p>　　圖4.1 流固耦合分析流程</p><p>　　4.4.1 幾何模型處理（Geometry）&

25、lt;/p><p>　　將圖2.4所示模型導(dǎo)入Workbench，如下圖4.2所示。模型處理過(guò)程的任務(wù)是建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)域和一個(gè)外流場(chǎng)，需要注意的是：其中旋轉(zhuǎn)域（圓盤(pán)形）必須將該風(fēng)輪模型全部包圍，并且應(yīng)盡量與風(fēng)輪表面相貼近。為了能夠消除尺寸上對(duì)分析結(jié)果的影響，外流場(chǎng)（長(zhǎng)方體）需適當(dāng)大一點(diǎn)。模型處理完成后的模型如下圖4.3所示。 </p><p>　　圖4.2 風(fēng)輪模型

26、 圖4.3 流場(chǎng)模型</p><p>　　4.4.2 流場(chǎng)網(wǎng)格劃分（Mesh） </p><p>　　因?yàn)榱黧w計(jì)算并不需要結(jié)構(gòu)體，所以劃分網(wǎng)格前，先將風(fēng)輪模型Suppress，即只保留流體域。由于風(fēng)機(jī)模型與外流場(chǎng)尺寸相差大，所以最好在風(fēng)機(jī)模型附近做細(xì)化，其他區(qū)域相應(yīng)粗化。網(wǎng)格劃分模型如下圖4.4（a）（b）所示。</p><p&

27、gt;　?。╝）外流場(chǎng)網(wǎng)格 （b） 旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格</p><p><b>　　圖4.4 網(wǎng)格模型</b></p><p>　　4.4.3 流體分析（CFX）</p><p>　　流體分析前，需要先設(shè)置邊界條件。在這里風(fēng)載屬性為25°C空氣，一個(gè)大氣壓強(qiáng)，進(jìn)風(fēng)面和出風(fēng)面的相對(duì)壓

28、強(qiáng)為0，額定風(fēng)速Vn=13m/s。四周均設(shè)為壁面，并且光滑無(wú)滲透。邊界條件設(shè)置好之后的模型如圖4.5所示。流體計(jì)算時(shí)Momentum and Mass的監(jiān)視圖如圖4.6。監(jiān)視圖的主要作用是用于監(jiān)視該流體計(jì)算的收斂情況，可以從圖中看出在440步左右達(dá)到收斂要求。</p><p>　　圖4.5 邊界條件設(shè)置 圖4.6 Momentum and Mass監(jiān)視圖</

29、p><p>　　計(jì)算完成之后，可以查看一些流體分析比較有意義的結(jié)果，這里給出了旋轉(zhuǎn)域風(fēng)速圖如4.7所示，流場(chǎng)中心面風(fēng)速圖如4.8所示。</p><p>　　圖4.7 旋轉(zhuǎn)域流速圖 圖4.8 流場(chǎng)中心面風(fēng)速圖 </p><p>　　由圖4.7可以看出沿葉展方向的風(fēng)速越來(lái)越大，這與實(shí)際情況相符合，風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)葉尖的

30、速度最大帶動(dòng)著風(fēng)的速度也相應(yīng)越大。圖4.8可以由Betz理論來(lái)說(shuō)明，Betz理論認(rèn)為在通過(guò)風(fēng)輪掃風(fēng)面的空氣流所攜帶的能量，僅有部分能量被風(fēng)輪所吸收。由圖可知風(fēng)在流過(guò)風(fēng)力機(jī)后速度并不是降為0，而是還保持了一定的速度繼續(xù)向前流動(dòng)，也就充分的說(shuō)明了這一點(diǎn)。</p><p>　　4.4.4 結(jié)構(gòu)靜力分析（ANSYS經(jīng)典）</p><p>　　該分析要做的即是求解葉片在上述風(fēng)載作用下，葉片的受力和變

31、形情況。也可以說(shuō)是流固耦合分析的固體求解階段。將CFX求解出的風(fēng)載應(yīng)力通過(guò)傳遞面（傳遞面為風(fēng)輪外表面）導(dǎo)入ANSYS經(jīng)典，作為載荷施加到葉輪上。其求解和普通靜力分析相同，操作不做介紹。額定風(fēng)載下葉輪的變形圖，如圖4.9（a）（b）所示。額定風(fēng)載下的葉片應(yīng)力云圖如圖4.10（a），11級(jí)風(fēng)載下的應(yīng)力云圖如圖4.10（b）。</p><p>　?。╝）正視圖

32、 （b）上視圖</p><p>　　圖4.9 葉輪變形云圖</p><p>　?。╝）額定風(fēng)載應(yīng)力云圖 （b）11級(jí)風(fēng)載應(yīng)力云圖</p><p>　　圖4.10 葉片應(yīng)力云圖</p><p>　　由圖4.9，額定風(fēng)速下風(fēng)機(jī)葉片的最大撓度為3.463m，發(fā)生在葉片尖端。由于該葉片

33、是在風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，所以葉輪將有一定的沿轉(zhuǎn)向方向的變形，如圖4.9（a）所示。同時(shí)葉輪在風(fēng)向方向有一個(gè)大的彈性變形，如圖4.9（b）。在這里將11級(jí)風(fēng)作為極限風(fēng)速研究其受力情況。由圖4.10，額定風(fēng)載下葉片所受最大應(yīng)力為55.8Mpa，極限風(fēng)載下所受最大應(yīng)力為83.8Mpa，發(fā)生部位在葉片中部偏上。單個(gè)截面所受最大應(yīng)力靠近壓力中心。</p><p><b>　　結(jié) 論</b>&

34、lt;/p><p>　　葉片葉素模型采用了專(zhuān)業(yè)翼型設(shè)計(jì)軟件Profili提供的NACA4412，以該葉素為基礎(chǔ)，用Solidworks軟件創(chuàng)建了葉片實(shí)體模型。在模態(tài)分析中定義該葉片的材料為環(huán)氧玻璃鋼進(jìn)行分析時(shí)，其分析結(jié)果表明，葉片的振型主要以擺振和彎曲為主，階數(shù)越高，擺振越明顯。其一階模態(tài)頻率為0.34Hz，能夠順利的避開(kāi)外在激勵(lì)頻率（0.1~0.2）Hz，不會(huì)發(fā)生共振，符合使用條件。</p><

35、p>　　在額定風(fēng)載下的流固耦合分析的結(jié)果表明，該葉片的最大變形為3.463m，發(fā)生在葉片尖端。其所受的最大應(yīng)力為55.8MPa，經(jīng)參考環(huán)氧玻璃鋼的實(shí)測(cè)拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到720MPa，即能夠滿(mǎn)足額定風(fēng)載下強(qiáng)度要求。在11級(jí)風(fēng)載下的流固耦合分析結(jié)果表明，其變形云圖和額定風(fēng)載下基本相同，只是相對(duì)增大。其所受到的最大應(yīng)力為83.8MPa，同樣滿(mǎn)足其材料的使用要求。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)<

36、;/b></p><p>　　[1] 趙振宙，鄭源，高玉琴.風(fēng)力機(jī)原理與應(yīng)用.北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.</p><p>　　[2] 陳啟卷，張凱.1MW風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析.水電與新能源，2010:66-69.</p><p>　　[3] 張禮達(dá)，任臘春，陳榮盛，毛金鐸.風(fēng)力機(jī)葉片外形設(shè)計(jì)及三維實(shí)體建模研究.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008:1177-

37、1180.</p><p>　　[4] 陳家權(quán)，楊新彥.風(fēng)力機(jī)葉片立體圖的設(shè)計(jì).機(jī)電工程，2006：37-40.</p><p>　　[5] 季采云，朱龍彪，朱志松，孫倩.3MW 海上風(fēng)力機(jī)葉片的三維建模及模態(tài)分析.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011:192-194.</p><p>　　[6] 高耀東.ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用精華30例.北京：電子工業(yè)出版社，20

38、10.</p><p>　　[7] 宋學(xué)官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實(shí)例.北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.</p><p>　　[8] 陳海萍，孫文磊，郭健.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的流固耦合分析.機(jī)床與液壓，2010:79-82.</p><p>　　[9] 周鵬展，肖加余，曾竟成，王進(jìn)，楊軍.基于ANSYS 的大型復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析

39、.國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010:46-50.</p><p>　　[10] 阿榮其其格，劉文芝.風(fēng)力機(jī)葉片有限元建模的兩種方法.計(jì)算及應(yīng)用技術(shù)，2009：48-50.</p><p>　　[11] 閆海津，胡丹梅.風(fēng)力機(jī)葉片的三維建模.能源技術(shù)，2009:89-91，95.</p><p>　　[12] 陳紹杰，申振華，徐鶴山.復(fù)合材料與風(fēng)力機(jī)葉片.玻璃鋼

40、/復(fù)合材料，2008：42-46. </p><p>　　[13] Us S，Tolun S.Structural Design and Analysis of Wind Turbine Rotor Blades Using Laminated Sandwich Composites[C]//Engineering，Construction，and Operations in Challenging Envi

41、ronments: Earth&Space，2004:492-498.</p><p>　　[14] 李成良，陳醇.風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)分析與鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì).玻璃鋼/復(fù)合材料，2009:50-53.</p><p>　　[15] 劉志遠(yuǎn)，鄭源，張文佳，司佳鈞.ANSYS - CFX 單向流固耦合分析的方法.水利水電工程設(shè)計(jì)，2009:29-31.</p><p

42、>　　[16] 韋麗珍，趙丹平，王清華，戴同，楊麗娟，劉玲.基于ANSYS風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)定方法.能源與環(huán)境，2009:102-103,112.</p><p>　　[17] 陳榮盛，張禮達(dá)，王旭，張廖南.基于ANSYS的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片動(dòng)力學(xué)特性研究.云南水力發(fā)電，2009:28-30,95.</p><p>　　[18] 薛風(fēng)先，胡仁喜，康士廷.ANSYS12.0機(jī)械與結(jié)