基于UG的風力發電機葉片有限元分析

潘 聰, 李佳祺

(上海發電設備成套設計研究院， 上海 200240)

新能源技術

基于UG的風力發電機葉片有限元分析

潘 聰, 李佳祺

(上海發電設備成套設計研究院， 上海 200240)

介紹了風力發電機葉片的有限元分析方法，利用UG軟件對葉片進行建模和分析計算，結果表明：該葉片模型具有良好的強度和剛度，能滿足工作要求。

風力發電； 葉片結構； 結構分析； 模態分析

隨著社會的不斷發展，現有的傳統能源儲量已無法滿足日益增長的能源需求；同時，公眾對于改善生態環境的呼聲日益高漲，發展清潔能源已經成為全球共同面臨的課題。風能作為一種清潔的可再生能源，逐漸受到全球的重視，風電產業已初具規模。

風力發電機組由葉片、傳動系統、發電機、塔架、儲能設備等組成。葉片是其中的關鍵部件之一，是將風能轉化為機械能的核心部件，應具有良好的捕風能力、足夠的強度和剛度，以及穩定性。葉片的翼型設計和結構形式，直接影響風力發電機組的性能和功率。

對于結構復雜的風電葉片，由于理論計算和應力測試的不易操作性，筆者利用UG軟件對葉片進行建模和分析。

1 葉片模型

風力發電機葉片結構設計的目的是結合空氣動力學、結構力學等專業知識分析，增大葉片掃風面積，并使其質量最小化，獲得更高的捕風能力[1]。

由于構件的固有頻率和振型主要取決于它的剛度分布和質量分布[2]，筆者建立的葉片模型見圖1，葉片總長為30 m。

圖1 葉片模型

2 結構分析

2.1 風機葉片材料

風機葉片材料是影響風機葉片性能和效率的關鍵因素之一。通用的風機葉片材料主要包括：金屬(鋁合金)、玻璃纖維增強復合材料(玻璃鋼)、碳纖維增強復合材料等[1]。為了增強風機葉片的捕風能力，提高風力發電機系統的性能和效率，往往要求葉片材料具有質量輕、強度高、剛度大等特性[2]。

復合材料垂直于纖維方向的性能主要取決于基體材料的性能和基體與纖維的結合能力，層間應力和層間剪切強度很低[3]。選用纖維增強復合塑料FRP作為葉片材料，其材料特性見表1[4]。

表1 FRP材料強度特性

2.2 有限元網格劃分

利用UG軟件對葉片模型進行有限元網格劃分，單元屬性選用3D四面體網格(CTETRA(4))，單元大小設為100。繪制的有限元網格見圖2。

圖2 有限元網格

2.3 邊界條件和葉片載荷

在實際工況下，風機葉片依靠端部螺栓固定在輪轂上，并隨輪轂一同轉動。為了便于分析，筆者將葉片端部設為固定約束。

風機葉片的工作原理是將空氣流動的風能轉化為葉片轉動的機械能。風機葉片的載荷主要包括兩部分：一是風機葉片的自重，二是由空氣流動產生的壓力。

將空氣當成黏度可以忽略、不可被壓縮的理想流體。據伯努利方程：

(1)

式中：p是流體壓力；ρ是流體密度；h是流體高度；v是流體速度；C是常數。

空氣流經風機葉片時，不會產生高度差。式(1)可簡化為：

(2)

采用20 ℃、標準大氣壓下的空氣密度ρ=1.205 kg/m3，風速采用12級風(颶風，32.7～36.9 m/s)，即v=37 m/s，得出葉片表面空氣壓力為p=825 Pa。

將固定約束、重力和壓力施加至葉片模型，見圖3。

圖3 邊界條件和載荷

2.4 結構分析結果

利用UG軟件進行結構有限元分析，可以得到應力、應變分布以及葉片的變形結果。葉片模型的應力分布見圖4，有限元的數值分析結果見表2。

圖4 應力分布云圖(單位：MPa)

表2 葉片模型1有限元分析結果

從圖4可以看出：葉片應力沿葉展方向逐漸減小，在葉尖處應力最小。最大應力出現在距葉片端部7 m處(葉長23%，圖4中A處)。

上述分析結果指出，葉片模型的最大應力為1.535 MPa，遠小于纖維增強復合塑料的屈服強度(20 MPa)，說明該葉片滿足強度要求。

在實際工況中，要求葉片運轉時不能與塔架碰撞，葉片最大位移是在圖4中Z方向，即垂直葉片方向，葉片模型1的最大位移為7.506 mm，這個很小的變形量也證明該葉片滿足剛度要求。

3 模態分析

3.1 邊界條件

同第2章所述，將葉片端部設為固定約束。

3.2 模態分析結果

對葉片進行自然模態分析，取前10階模態，計算的自然頻率見表3。

表3 模態分析自然頻率

在實際工況下，葉片的高階激勵較少，所以重點關注低階激勵[4]。筆者提取了前4階振型，其變形情況見圖5。

圖5 葉片模型模態分析變形圖

3.3 模態分析結果分析

葉片的振動形式主要有三種：揮舞振動、擺振振動和扭轉振動[2]。揮舞振動是指在垂直于旋轉平面方向上的彎曲振動，擺振振動是指在旋轉平面內的彎曲振動，扭轉振動是指葉片繞軸的扭轉振動。

分析結果顯示：

(1) 葉片1階至3階振型主要表現為彎曲振動，該彎曲振動是揮舞振動和擺振振動共同作用的結果；4階振型中已經出現了扭轉振動，是彎曲振動和扭轉振動的復合振動。

(2) 葉片1階振型主要是揮舞振動，2階振型主要是擺振振動，3階振型是揮舞振動和擺振振動都有，4階振型是揮舞、擺振和扭轉3種振動共存，說明振動的階次越高，振動的形式越復雜，對葉片影響越大。

(3) 振動的階次越高，葉片的應變和應力越大，葉片屈曲效應越顯著。

(4) 從葉片的應變和應力結果得知，葉片模型有足夠的強度和剛度，具有很好的屈曲穩定性。

4 結語

經過分析得知，最大應力出現在距葉片端部7 m處(葉長23%)，葉片模型有足夠的強度和剛度，具有很好的屈曲穩定性。采用UG軟件進行結構和模態分析可以節省大量的時間，分析結果可以作為設計依據。

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

[2] 高會煥. 纖維增強材料風機葉片發展概述[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2009(4)：104-108.

[3] 陳啟卷，張凱. 1 MW風機葉片結構分析[J]. 水電與新能源， 2010(4)：66-69.

[4] 朱蕾. 復合材料風力發電機葉片結構優化設計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

廣 告

上海發電設備成套設計研究院

封面

上海發電設備成套設計研究院

封2

山東天璨環保科技有限公司

封3

徐州羅特艾德回轉支承有限公司

封底

Finite Element Analysis of Wind Turbine Blades Based on UG

Pan Cong, Li Jiaqi

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

A method was proposed for finite element analysis of wind turbine blades, with which the blades were modeled and calculated using UG software. Results show that both the strength and stiffness of the blade model are high enough to meet the requirements of actual application.

wind power generation; blade structure; structural analysis; modal analysis

2014-08-13

潘 聰(1990—)，男，助理工程師，主要從事機械設計與結構分析，參與變頻柜等電氣設備的結構設計與分析工作。

E-mail: pancong@speri.com.cn

TK83

A

1671-086X(2015)04-0308-03