風機葉片根端連接螺栓的參數(shù)化建模及分析

張東燦，王東， 張啟應

(國電聯(lián)合動力技術有限公司上海研發(fā)中心，上海 200062)

風機葉片根端連接螺栓的參數(shù)化建模及分析

張東燦，王東， 張啟應

(國電聯(lián)合動力技術有限公司上海研發(fā)中心，上海 200062)

利用有限元分析軟件ANSYS參數(shù)化設計語言即APDL,高效快速建立參數(shù)化風機葉片連接部分的有限元模型。通過高強度葉根螺栓連接葉片根部和變槳軸承外圈，并對螺栓施加一定的預緊力。在預緊力和外部載荷共同作用下，ANSYS進行接觸非線性計算，對葉根螺栓進行靜力結構分析和強度校核，為葉片根端連接的設計優(yōu)化提供指導。通過該方法可以提高葉片根端模型建模效率，縮短連接螺栓設計及校核周期。

風機葉片；參數(shù)化設計語言；葉根螺栓；預緊力

0 引言

在全球能源危機和環(huán)境危機日益嚴重的背景下，風能作為一種清潔的可再生能源越來越多的受到各國政府的重視。風力發(fā)電具有裝機容量增長空間大，成本下降快，能源永不耗竭等優(yōu)勢，同時可以有效緩解空氣污染、水污染和全球氣候變暖問題。在各類新能源開發(fā)中，風力發(fā)電是技術相對成熟、并具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)開發(fā)的發(fā)電模式[1]。此外，目前全世界有超過50個國家頒布了支持可再生能源發(fā)展的相關法律法規(guī)，對風電發(fā)展起到了至關重要的作用，風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為初具規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)[2]?，F(xiàn)在，風力發(fā)電在大型工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)取得較好的應用，并且每年新增的容量達數(shù)GW。

風力發(fā)電機組葉片(簡稱風機葉片)是風力發(fā)電機組中的關鍵核心部件，承載著大部分的動態(tài)載荷和靜態(tài)載荷，其結構強度和穩(wěn)定性對風力發(fā)電機組的可靠性起著非常重要的作用[3]。其中葉片的翼型設計、結構形式，直接影響風力發(fā)電機組的性能和功率[4]。將葉片根部固定在輪轂上是葉片設計中最關鍵的地方，因為鋼輪轂和制造葉片的材料一般為玻璃纖維增強塑料(GFRP)，它們之間的相關剛度差有數(shù)量級的差別，妨礙載荷的平滑傳遞。通常采用T型螺栓進行連接，螺栓可以沿軸向嵌入葉片的材料中或沿半徑方向穿過葉片殼體，但這兩種情況中葉片根端應力集中都是不可避免的[5]。對于螺栓固定結構，失效多發(fā)生于螺栓而非GFRP葉片，因此葉根連接螺栓的強度分析顯得尤為重要。

采用ANSYS有限元軟件對葉片根端連接部分建立有限元分析模型，整個建模過程采用參數(shù)化建模(即APDL程序)，大大提高建模效率，在ANSYS中進行接觸非線性計算，并對葉根連接T型螺栓進行靜力分析和強度校核，從而指導葉片根端連接的設計和優(yōu)化。

1 葉片根端連接模型

目前，風電場中用的較為廣泛的2MW風力發(fā)電機組復合材料葉片，其葉片根端連接圖1所示。

圖1 葉片根端連接模型

葉片根部截面形狀為圓環(huán)形，其外環(huán)直徑為2200mm，內(nèi)環(huán)直徑為2020mm，中心圓直徑為2110mm。葉根長度取為1900mm。在葉片根部沿著圓周均勻打孔并安裝60根T型螺栓，T型螺栓通過兩端螺紋連接變槳軸承和葉片，由插到葉片殼體縱向孔內(nèi)的鋼螺柱，與保持在橫向孔內(nèi)的交叉螺母進行連接。

葉片為玻璃纖維復合材料即玻璃鋼，變槳軸承和T型螺栓均為42 CrMo 鋼, 其材料主要參數(shù)如表1 所示。

表1 玻璃鋼及42 CrMo 鋼的材料參數(shù)

在ANSYS軟件中采用APDL建立葉片根端有限元模型，需要的主要參數(shù)如表2所示。

表2 葉片根端模型主要參數(shù) 單位，mm

2 有限元分析

ANSYS有限元軟件是一個多用途的有限元法計算機設計程序。有限元分析作為復雜結構設計的成熟方法，對風機主要承載部件的有限元分析是節(jié)約設計成本、降低制造商與投資方風險的有效途徑。

2.1 有限元模型

由于葉片根端連接模型、載荷及邊界條件具有對稱性，故選取整體模型的一半通過APDL建立有限元模型如圖2所示。變槳軸承內(nèi)圈通過T型螺栓與葉片相連，變槳軸承內(nèi)外圈通過接觸單元178建立連接，軸承外圈與輪轂假體之間通過接觸單元進行標準接觸連接。T型螺栓連接分布如圖3所示。

圖2 有限元整體模型

圖3 T型螺栓分布圖

在輪轂假體底部施加六個方向自由度的全約束，由于模型機載荷均對稱，所以在模型的分割邊界面施加沿坐標軸z方向的水平自由度約束Uz,限制模型在z方向的水平運動。在葉片頂部圓心處建立質量點，用于施加載荷，通過RBE3與頂部節(jié)點連接，起到傳遞載荷的作用。有限元模型的邊界條件及約束如圖4所示。

圖4 有限元模型邊界條件及約束

針對本文接觸非線性計算，加載方式采用多個載荷步加載：第1載荷步為預緊力加載，第2荷步為預緊力鎖緊，第3載荷步為外部載荷加載，每一個載荷步又分為多個子步計算。在每個T型螺栓施加預緊力340kN，施加的外部載荷為最大彎矩大小MZ=7315.7kNm，方向為z軸負方向。

3.2T型螺栓強度分析

連接結構，葉根失效多發(fā)生在螺栓連接處，因此對T型螺栓的強度分析尤為重要。在有限元模型中，共有30個T型螺栓，在第2個載荷步作用下螺栓的應力分布如圖5所示。螺栓在預緊力的作用下受拉伸長，所有的螺栓表現(xiàn)出相同的應力分布。在第3個載荷步作用下，螺栓應力分布如圖6和圖7所示。 外部載荷導致受拉側螺栓在預緊力拉伸的基礎上進一步被拉伸，同時應力增加，最大應力發(fā)生在受拉側T型螺栓，為686.422MPa，T型螺栓材料的許用應力為855MPa，故滿足T 型螺栓材料42 CrMo 鋼的許用應力要求。

圖7 T型螺栓最大應力分布圖

3 結語

在ANSYS軟件中采用APDL進行參數(shù)化建立有限元模型。有限元模型在多個載荷步作用下，進行接觸非線性計算。針對T型螺栓進行強度分析，確定螺栓應力范圍及最大應力，滿足螺栓材料42 CrMo鋼的許用應力要求，為葉片根端連接的設計、優(yōu)化改型及選材提供有效的依據(jù)及指導。

[1] 郭太英，黎發(fā)貴. 從國外風電發(fā)展探討我國風電發(fā)展思路[J]. 水電勘測設計，2006，58(2):20-24.

[2] 周鶴良. 我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與策略[J]. 交流技術與電力牽引，2006(2):4-8，38.

[3] 張曉明. 風力發(fā)電復合材料葉片的現(xiàn)狀與未來[J]. 纖維復合材料，2006，60(2):60-63.

[4] 潘藝,周鵬展,王進. 風力發(fā)電機葉片技術發(fā)展概述[J]. 湖南工業(yè)大學學報，2007,21(3):48-51.

[5] (美) Tony Burton 等著. 風能技術[M]. 武鑫等譯.北京：科學出版社，2007.

Parametric Modeling and Analysis of Blade Root Connection Bolts for Wind Turbine Based on ANSYS

ZHANG Dong-can,WANG dong, ZHANG Qi-ying

(Guo Dian United Power Technology Co.,LTD., Shanghai 200062,China)

ANSYS software parametric design language, APDL, is used to estabish the FEA model of the blade root connection efficiently. The blade root and pitch bearing outer ring are connected by the high strength bolts and the certain amount of preload is exerted on the bolt.Throagh the contact nonlinear calculation in ANSYS, the static analysis and strength check of the blade root connecting bolts and under the combined action of the preload and external load, the help is provided for the blade connecting design and optimization. This method can be used to improve the efficiency of FEA modeling and shorten the design and check cycle of the connecting bolts.

wind turbine blade;parametric design language;blade connecting bolts;preload

張東燦(1985-)，男，山東濟寧人，碩士，從事風機設計研發(fā)工作。

TH13；TB115.1

A

1671-5276(2014)02-0177-03

2013-01-22