大功率風電葉片模具分段設計

許 蕾，薛浩鵬，蔣成益

(天津東汽風電葉片工程有限公司 天津 300480)

科學觀察

大功率風電葉片模具分段設計

許 蕾，薛浩鵬，蔣成益

(天津東汽風電葉片工程有限公司 天津 300480)

給出了一種大型風力發電葉片模具的分段設計，利用 UG軟件的建模及結構分析能力，對葉片模型進行法蘭設計和分段鋼架設計，并對鋼架進行了受力分析。結果表明鋼架強度及剛度滿足要求，計算結果為模具設計提供了可靠依據。

新能源 風力發電 模具設計 有限元分析

0 引 言

隨著環境問題日益嚴重，新能源在國家能源布局中占有越來越重要的地位，而風能是目前可再生能源中除水能以外技術最成熟、最具規模化開發條件和商業化發展前景的發電方式之一。根據風輪葉片空氣動力學理論，風電葉片從空氣中獲取的功率與風輪直徑的平方成正比。[1]近年來，國內優質風場逐漸飽和，南方大部分省份年平均風速較低，因此市場對風輪直徑加長的葉片有著很大的需求，對于不斷增加的葉片長度，模具成本也大幅增加，而市場的不確定性要求葉片生產也需具備靈活性，葉片分段設計理念應運而生。

本文給出了一種類型葉片的分段設計，利用 UG軟件強大的建模及結構分析能力，對葉片模型進行法蘭設計和分段鋼架設計，并對鋼架進行了受力分析，為模具制作提供依據。

1 模具法蘭設計

1.1 分模設計

葉片模型設計完成后，需要對模型進行分模，然后設計法蘭。分模必須保證葉片不被卡殼。將葉片姿態調整為俯視并投影，得到外輪廓曲線，將該輪廓曲線沿曲面反向投影到模型上，采用 Unigraphics(UG)軟件“建?！蹦K下“Curve”工具欄上的“offset curve in face”命令，偏移值設為合?？p隙的一半，對模型對稱分模。葉片的分模和法蘭設計要求與原有模具一致，前緣合模縫隙 3,mm，后緣合?？p隙2,mm，如圖1所示。

圖1 葉片葉尖段分模Fig.1 Mould separation at the leading and trailing edge

1.2 法蘭設計

葉片完成分模后，需進行法蘭設計。在模具葉根和葉尖處分別生成一輔助面(Datum Plane)，在該輔助面上應用“Sketch”命令繪制法蘭截面線。為了節約母模和模具制作成本，此處設計了小法蘭，法蘭總寬度為250,mm，如圖2所示。繪制完法蘭截面線后，沿分模得到的邊界線應用“Through Curve Mesh”命令完成曲面生成。生成曲面時，定位方向時選擇“Forced Direction”，最終生成的法蘭如圖3所示。

圖2 模具法蘭分析Fig.2 Mould flange analysis

圖3 葉尖模具法蘭Fig.3 Tip mould flange

2 模具鋼架設計

2.1 鋼架建模

模具設計完畢后，需設計與之連接的鋼架。軸向底部與上部鋼架均采用 100×100×8截面的方鋼，在翻轉臂位置兩側的立柱采用 100×100×8方鋼，其他位置的豎撐及斜撐采用 80×80×5截面方鋼，鋼材材料采用 Q235鋼。圖中紅色位置為翻轉臂安裝位置，淺藍色即為模具分段位置，如圖4所示。

圖4 分段模具鋼架Fig.4 Sectional mould frame

2.2 鋼架生產工藝檢查

鋼架設計完后必須進行工藝分析，并對鋼架進行運動分析，檢查鋼架翻轉過程中是否存在干涉，模具完全打開后 PS、SS模具之間走臺能否安放。根據人體工學要求，走臺寬度不小于 600,mm，模型測量數據最窄為 810,mm。該步驟還可以為模具翻轉臂的安裝提供參數，比如翻轉軸線位置的確定。經運動分析表明，鋼架滿足生產工藝要求，如圖5所示。

圖5 模具鋼架生產工藝檢查Fig.5 Mould frame process check

2.3 鋼架有限元分析

2.3.1 鋼架分析

由于鋼架桿件數量龐大，且桿件尺寸較大，為了節約計算資源，快速而有效地完成受力分析，對桿件進行簡化處理，在計算軟件中用梁單元模擬鋼桿受力。此處計算的難點在于模具表面以及葉片載荷的施加，考慮葉片鋪層特點，對葉片表面進行分段，然后對相應的分段進行面載荷加載，盡可能模擬實際葉片和模具自身所受重力，計算時不考慮模具表面對鋼架剛度的加強效果，計算結果將偏安全。由于 SS側鋼架不用翻轉，只需對 PS側鋼架進行受力分析，計算時鋼架在 5個翻轉臂位置固定，計算重力載荷。結果表明，鋼架最大位移 5.617,mm發生在葉根后緣，如圖 6所示；鋼架最大應力為 43.76,MPa，如圖 7所

圖6 鋼架變形分布云圖Fig.6 Mould frame deformation contour plot

圖7 鋼架應力分布云圖Fig.7 Mould frame stress contour plot

示。鋼架本身的強度和剛度均滿足要求。

2.3.2 翻轉梁分析

在對鋼架受力分析完成后，還需要對翻轉梁進行受力分析。翻轉梁最大應力為 70.58,MPa，發生在葉根第一個翻轉臂處，如圖 8所示。翻轉所需的彎矩由翻轉梁的軸向力對翻轉中心取矩得到，經過計算，最大彎矩為213,kNm，最大彎矩發生在葉根第一個翻轉臂處，鋼架翻轉要求最大彎矩小于 220,kNm，結果滿足要求。

圖8 翻轉梁受力分析Fig.8 Hinge beam stress analysis

4 結 論

對提供的葉片模型，根據葉片分段要求設計了分段鋼架，首先對鋼架進行了運動學分析，走臺最小寬度 810,mm，滿足人體工學要求，鋼架翻轉無干涉；其次，對模具鋼架的剛度和強度進行了多工況有限元分析，鋼架最大變形為 5.6,mm，剛度設計要求小于10,mm，鋼架最大應力為 53.05,MPa，小于許用應力156,MPa，結果表明鋼架自身強度及剛度滿足要求；對翻轉梁受力進行了進一步檢查，翻轉梁最大應力為70.58,MPa，最大彎矩為 213,kNm。計算結果表明，設計的鋼架滿足生產工藝要求，強度和剛度也滿足設計要求，為模具設計提供了可靠依據。

［1］ Martin O. L. Hansen. 風力機空氣動力學(2版)[M].肖勁松，譯，北京：中國電力出版社，2009.

Sectional Mould Design for High-power Wind Blades

XU Lei，XUE Haopeng，JIANG Chengyi
(TianJin DongQi Wind Turbine Blade Engineering Co.，LTD.，Tianjin 300480，China)

A new idea of sectional mould design for high power wind blades was introduced. Based on UG，flange and sectional steel frame design were carried out for the blade mould，and an analysis was performed on the steel frame. Results showed that both the strength and stiffness of the frame meet relevant requirements and this will provide a reliable basis for the mould design.

new energy；wind power；mould design；FEA

TK83

A

1006-8945(2014)06-0039-02

2014-05-09