NACA634型風力機葉片三維建模及模態分析

羅春玲

摘要： 葉片作為風力機的重要部件，對其進行合理的設計至關重要。本文使用UG三維軟件，完成葉片的三維實體建模；運用有限元方法，選定葉片材料的特征參數，進行葉片的模態分析，確定了葉片的振型模態，并對比分析葉片各階的振型模態結果。結果顯示葉片的主要振動形式為揮舞和擺振，這為大型風力機葉片的設計和優化提供了參考。

Abstract： Since blades are important components of the wind turbine，it is of vital importantance to design reasonable blades. Three dimensional solid model of blades is completed by using three-dimensional UG soft ware. Finite element method is adopted in this paper to select characteristic parameters of blade material，then vibration modal for the blades is analyzed to determine the vibration modal of blades，which results shall be compared with that of blade modal of each rank. Results show that the main vibration forms of blade are flap and lead—lag，which can offer references for the design and optimization of large wind turbine blade.

關鍵詞： NACA634風力機葉片；三維建模；模態分析

Key words： NACA634 wind turbine blade；3D modeling；modal analysis

中圖分類號：TK83 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0122-02

0 引言

葉片是風力機的關鍵部件，風力機在工作時，會受到慣性力，空氣動力等疊加作用，且風力機葉片本身剛度不高、展向長，葉片在運行時易出現顫振現象。本文結合NACA634型葉片數據，建立了葉片的三維模型；通過對葉片模態分析，得到了葉片各階模態，以便對顫振進行分析。

1 風力機葉片三維建模

風力機葉片是一種不規則的三維曲面，沿翼展方向葉片有不同的厚度和弦長，根據葉片數據建立模型中的參數有葉片截面距根部距離、該處截面與翼型有關的厚度和弦長以及安裝角。

1.1 葉片的特征參數

本文以NACA63-415風力機葉片為研究對象，分析時采用盡可能多的截面數據，采用的數據越多，建立的三維葉片模型越能精確的反映實體的幾何外形特征。

1.2 葉片截面坐標變換

將葉片分割成多個截面空間，每個截面空間的坐標是通過葉片上某一截面的二維圖像的坐標為原點、弦線方向為X軸，通過換算得到的，根據NACA634型某個截面的坐標，然后把這些翼型數據進行變換，弦線方向保持不變，坐標原點變換到氣動中心。變換如下[1，2]：

重復上述計算，可以得出NACA63-415風力機葉片各個截面特征點的幾何空間坐標數據（見表1）。

1.3 建立葉片三維模型

把坐標變換后的數據導入到三維模型軟件中[3]，對生成的葉片的精確翼型實體模型進行抽殼處處理，并添加兩個5CM厚肋板，葉片的實體模型見圖1。

1.4 葉片單元網格劃分

通過UG建模軟件將建立的葉片模型文件生成IGES格式，導入MSC Patran軟件中，進行有限元分析。風力機葉片為中空結構，實際的殼厚度是5CM。每個單元有5個節點，在彈性葉片殼單元中產生52386個單元，12467個節點。

1.5 葉片的材料屬性及約束

NACA63-415風力機葉片的表面是玻璃鋼復合材料[4]。玻璃鋼材料在各方向上的彈性模量相同。玻璃鋼葉片的材料參數見表2，輪轂與葉片根部間固定連接。

2 模態分析

2.1 模態分析理論

固有頻率和振型是葉片結構分析和設計的重要參數，也是設備故障診斷以及結構性能優化的重要依據。風力機葉片模態分析可以確定風力機葉片的固有頻率和振型。

將（10）式展開計算，得到關于穩定結構體的多個自振頻率[5]，將系統結構體的自振頻率代入式（9），可得到結構體中各自振頻率相應的{？字i}，{？字i}稱為葉片的振型。

2.2 計算結果分析

對葉片模態分析后部分結果如圖2所示，表4從給出了葉片前六階模態頻率及振型，由表可見葉片前四階振動主要是揮舞振動，從第五階振型開始，葉片以揮舞振動主，開始有微小的擺振，到第六階，可以看到明顯的揮舞振動和擺振；第六階振型是葉片揮舞與擺振相疊加。

3 結論

①葉片網格劃分是否合理，直接影響求解穩定性，甚至導致結果不收斂，因此，應選擇適當大小的葉片網格。

②葉片前四階的振型是揮舞振動，超過四階后頻率，在葉片擺振的同時夾雜著擺振。

③本文以葉片根部與輪轂之間固定連接為條件展開分析，對于風力機葉片葉根與輪轂之間不完全剛性的結構。葉片的自振頻率需要重新分析。

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