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(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，提取前十階頻率和模態(tài)振型，得出風電葉片的振動特性。采用振型分解反應(yīng)譜法和譜分析技術(shù)計算風荷載作用下的風電葉片的動力響應(yīng)，為以后風電葉片的實時監(jiān)測做準備。

風電葉片; 模態(tài)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(tài)、環(huán)保、對環(huán)境無污染、對生態(tài)無破壞等優(yōu)點，對于人類社會可持續(xù)發(fā)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(fā)電機的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量可靠性是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。葉片也是風力發(fā)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(jié)構(gòu)的關(guān)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(yīng)譜法計算風荷載作用下的風電葉片的動力響應(yīng)，為以后風電葉片的實時監(jiān)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(yīng)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(jù)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(shù)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(jīng)驗的數(shù)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(shù)；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(yīng)譜法[4]

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

振型分解反應(yīng)譜法求解風荷載時，在風電葉片模態(tài)分析的基礎(chǔ)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(yīng)譜帶入 ANSYS譜分析過程，采用 SRSS法合并模態(tài)，則可得到風電葉片的風速譜譜分析結(jié)果。

高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)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(jié)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(shè)計規(guī)范所采用。我國規(guī)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(guān)鍵部件之一,葉片的結(jié)構(gòu)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(shè)計等一系列優(yōu)點,國內(nèi)外已普遍采用玻璃鋼/復合材料的葉片。

現(xiàn)代風力機通常是采用三葉片的上風或下風結(jié)構(gòu)。風力機葉片翼型形狀是由飛機機翼發(fā)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(jù)不同的設(shè)計需要選取翼型。

葉片主要設(shè)計參數(shù)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(shè)計參數(shù)

對于葉片翼展方向鋪層層數(shù)不相同的部位要對其定義相應(yīng)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(shù)據(jù)如表2所示。

表2 葉片鋪層數(shù)據(jù)

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(tài)分析，分別計算出風電葉片葉根部位損傷5 %、10 %、20 %的模態(tài)變化。

圖1 風電葉片模型

4 模態(tài)分析與譜分析結(jié)果

通過不同損傷程度下的模態(tài)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(tài)的分析，對葉片的監(jiān)測還是欠缺的。所以，本文就將模態(tài)分析與譜分析相結(jié)合起來，更加能夠明確的監(jiān)測到葉片的損傷位置。

在模態(tài)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(yīng)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(jié)點的位移響應(yīng)譜與速度響應(yīng)譜，通過損傷前后響應(yīng)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(yīng)譜的差別越大。圖4、圖5是損傷前后的對比位移響應(yīng)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(yīng)

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(yīng)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(tài)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(yīng)譜和速度響應(yīng)譜，可以得到損傷前后不同的響應(yīng)譜的結(jié)果，為以后的損傷識別提供幫助。

5 結(jié)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(yīng)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(tài)分析、譜分析、模態(tài)擴展和合并模態(tài)，以此方便知道風電葉片的應(yīng)力分布以及各階模態(tài)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(yīng)譜。為以后風電葉片的實時監(jiān)測以及在強風荷載下風電葉片的損傷提供依據(jù)。

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(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)[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(gòu)關(guān)系的復合材料風機葉片有限元極限分析與設(shè)計[D].同濟大學，2007.

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

劉霞(1990～)，女，碩士，研究方向為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷識別。

TU311.3

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[定稿日期]2016-08-03