風荷載作用下風電葉片的受力研究

劉 霞(河北大學建筑工程學院，河北保定 071000)

風荷載作用下風電葉片的受力研究

劉 霞
(河北大學建筑工程學院，河北保定 071000)

文章對在風荷載作用下的風電葉片進行損傷識別研究，在 ANSYS 中建立有限元模型，對結構進行模態分析，提取前十階頻率和模態振型，得出風電葉片的振動特性。采用振型分解反應譜法和譜分析技術計算風荷載作用下的風電葉片的動力響應，為以后風電葉片的實時監測做準備。

風電葉片; 模態分析; 譜分析; ANSYS

風能是一種清潔、可再生的綠色能源，具有生態、環保、對環境無污染、對生態無破壞等優點，對于人類社會可持續發展具有重要意義。風電葉片是捕獲風能的最主要部件，也是風力發電機的關鍵部件，其質量可靠性是保證機組正常穩定運行的決定因素。葉片也是風力發電機組中受力最復雜的部件，各種激勵力幾乎都是通過葉片傳遞出去的，無論是地球附面層形成的風的不均勻流，還是重力影響以及陣風等因素，都是作用在葉片上。葉片的根部是葉片結構的關鍵截面，因為在葉根處的載荷最大，而葉根連接處主要受復合材料的剪切、擠壓或膠接剪切強度控制，復合材料的這些強度均低于其抗拉強度，因此葉根是葉片最危險的部位之一。

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS建立三維模型，采用振型分解反應譜法計算風荷載作用下的風電葉片的動力響應，為以后風電葉片的實時監測做準備。

1 脈動風速譜[1]

許多風工程專家對水平陣風功率譜進行了研究，得到了不同形式的風速譜表達式，其中應用較為廣泛的是Davenport提出的脈動風速譜，我國風譜一般取達文波特風譜。Davenport根據世界上不同地點、不同高度實測得到的90多次強風記錄，并假定水平陣風譜中的湍流積分尺度L沿高度不變，取常數1 200 m，并取脈動風速譜為離不同地面高度實測值的平均，建立了縱向脈動風速譜經驗的數學表達式如下：

式中：SV(n)為脈動風速功率譜；k為地面粗糙度系數；n為脈動風頻率；V1C為標準高度為10 m處的平均風速。

2 攝型分解反應譜法[4]

振型分解反應譜法的流程為模態分析、譜分析、模態擴展和合并模態。它通過理想簡化的單質點體系的最大風荷載反應來描述風荷載的特性，考慮了當時風荷載運動特性與結構自身的動力特性之間的關系，通過反應譜來計算結構動力特性(自振周期、振型)所產生的共振效應，即將模態分析結果與一個已知的風荷載反應譜耦合起來，然后通過計算確定結構在風載荷作用下的動力響應。在采用振型分解反應譜法對風電葉片進行風譜效應分析時，風電葉片經離散化后，可對運動狀態中各節點按下式建立動力平衡微分方程:

振型分解反應譜法求解風荷載時，在風電葉片模態分析的基礎上，按照功率譜密度分析方法，取對風電葉片影響最大的Y方向風速激勵進行分析。風電葉片的阻尼比取為 0.2。將用MATLAB模擬出的Davenport風荷載反應譜帶入 ANSYS譜分析過程，采用 SRSS法合并模態，則可得到風電葉片的風速譜譜分析結果。

高層建筑和高聳結構等,一般認為這些條件是可以得到滿足的,因而采用SRSS方法可以給出滿足工程需要的結果。SRSS法相對于CQC法要簡潔方便,并且計算效率要高。正是由于這一點,該法長期以來一直為許多國家的抗震和抗風設計規范所采用。我國規范就是世界上最早采用SRSS法的國家之一。

此為平方和開平方(SRSS)方法。

3 風電葉片實例

葉片是風力機的關鍵部件之一,葉片的結構和強度對風力機的可靠性起重要作用。由于玻璃鋼/復合材料具有重量輕、耐腐蝕、剛度可設計等一系列優點,國內外已普遍采用玻璃鋼/復合材料的葉片。

現代風力機通常是采用三葉片的上風或下風結構。風力機葉片翼型形狀是由飛機機翼發展而來的，葉片通常由翼型系列組成。常用的翼型有NACA44xx系列等航空翼型。根據不同的設計需要選取翼型。

葉片主要設計參數如表1所示，在Profili軟件中選擇合適的翼型[2]。

表1 風機葉片的主要設計參數

對于葉片翼展方向鋪層層數不相同的部位要對其定義相應的材料,也就是說在建模時用多少個部分拼接成葉面,理論上就要建立多少個鋪層材料。葉片鋪層數據如表2所示。

表2 葉片鋪層數據

葉片的鋪層情況非常復雜，沿葉片縱向分布不均，沿葉片橫向也是不均勻的，這就給單元屬性的賦值帶來了很大的困難。故采用分段分塊定義層合板模型，然后再分段分塊將模型賦給單元，這樣最大限度地模擬了葉片鋪層的真實情況。

三維風電葉片模型采用通用有限元軟件ANSYS建立，用shell99單元模擬三維不同鋪層，模型如圖1所示。利用ANSYS模態分析，分別計算出風電葉片葉根部位損傷5 %、10 %、20 %的模態變化。

圖1 風電葉片模型

4 模態分析與譜分析結果

通過不同損傷程度下的模態分析(表3)可知，在葉片損傷不大的情況下，頻率的變化不明顯。這就說明，單單依靠損傷前后模態的分析，對葉片的監測還是欠缺的。所以，本文就將模態分析與譜分析相結合起來，更加能夠明確的監測到葉片的損傷位置。

在模態分析之后，我們引入Davenport 風速譜，其功率譜與時程曲線見圖2、圖3。本文選取 10 頻率及對應下的 Davenport 風速譜值如表4所示。

在ANSYS譜分析過后，我們可以分別得到不同節點的位移響應譜與速度響應譜，通過損傷前后響應譜的不同對比，可以證明出葉片的損傷程度，損傷的越明顯，響應譜的差別越大。圖4、圖5是損傷前后的對比位移響應譜。由圖4、圖5可知，損傷后比損傷前的位移值大。

表3 損傷前后頻率變化

圖2 Davenport脈動風速功率譜

圖3 Davenport風速時程曲線

表4 譜值-頻率對應

圖4 損傷前的位移功率譜

圖5 損傷后的位移功率譜

圖6、圖7是損傷前后的對比速度響應譜。由圖6、圖7可知，損傷后比損傷前的速度變化明顯。

當在風電葉片受損嚴重時，通過損傷前后模態分析對比，可以分析確定風電葉片的損傷。當風電葉片損傷不明顯時，可以在利用譜分析的理論，通過分析某點的位移響應譜和速度響應譜，可以得到損傷前后不同的響應譜的結果，為以后的損傷識別提供幫助。

5 結論

本文通過MATLAB模擬脈動風速功率譜，并利用ANSYS成功而用振型分解反應譜法，將風速功率譜加載到風電葉片當中，并對風電葉片進行模態分析、譜分析、模態擴展和合并模態，以此方便知道風電葉片的應力分布以及各階模態的分布，并且當風荷載加載到風電葉片上時，可得到實時的葉片的位移、速度以及加速度響應譜。為以后風電葉片的實時監測以及在強風荷載下風電葉片的損傷提供依據。

圖6 損傷前的速度功率譜

圖7 損傷后的速度功率譜

[1] 王博，風荷載作用下的高聳塔架結構的動力響應[D].蘭州理工大學，2014.

[2] 林海晨，風力機葉片的有限元建模[J]，綿陽師范學院學報，2007,26(8):43-47.

[3] 張春麗，黃爭鳴，董國華.基于非線性本構關系的復合材料風機葉片有限元極限分析與設計[D].同濟大學，2007.

[4] 孔劍.基于ANSYS的鋼閘門地震反應譜分析[D].河海大學，2014.

劉霞(1990～)，女，碩士，研究方向為結構健康監測與損傷識別。

TU311.3

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[定稿日期]2016-08-03