風力發電機葉片結構優化和模態分析

蘆麗麗 祁文軍 陳海霞

摘要：弦長和安裝角對風能利用率有很大的影響。以Wilson理論為基礎，運用MTALAB 優化工具箱的Fmincon函數，計算出葉片的弦長和安裝角，并利用曲線擬合工具箱進行曲線擬合，運用UG建模，之后通過ACP對葉片進行復合材料鋪層設計以及模態分析。分析表明：葉片內腔中加入PVC硬質塑料后，使葉片的固有頻率能達到基本要求，從而為改善葉片的綜合性能提供參考。

關鍵詞：

葉片；優化；復合材料；ACP

DOI：1015938/jjhust201705002

中圖分類號： TK83

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）05-0007-06

Structural Optimization and Modal Analysis of Wind Turbine Blades

LU Lili1，2，QI Wenjun1，2，CHEN Haixia1，2，WANG Liangying1，2

（1.School of Mechanical Engineering， Xinjiang University， Urumchi 830008， China；

2.State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing Systems Engineering， Xi'an 710049， China）

Abstract：In this paper， based on the theory of Wilson， using function and MTALAB software optimization toolbox， the chord length and twist angle of the blade are calculated， and curve fitting using toolbox， setting model using UG After that， using ACP to complete composite layer design on blade and nature modal Analysis shows that after joining the PVC hard plastic blade in the inner chamber， the natural frequencies of the blade can meet the basic requirements， provide example for improving the comprehensive performance of blade

Keywords：blade； optimizing ；composite material； ACP

收稿日期： 2016-03-02

基金項目： 國家重點實驗室開放課題研究基金（sklms2014006）

作者簡介：

蘆麗麗（1993—），女，碩士研究生；

祁文軍（1968—），女，教授；

陳海霞（1988—），男，碩士

0前言

葉片是風力發電機最為復雜和關鍵的零部件，葉片性能的好壞將會直接影響到風力發電機的效率和使用壽命。目前大型風力發電機的葉片基本上由各種復合材料制成，因此葉片與復合材料技術有著密切的聯系。為了實現葉片經濟效益的最大化，在葉片結構設計階段，葉片的模型設計和鋪層結構優化設計顯得尤為關鍵。目前大多研究主要集中在葉片的氣動性能分析，以及葉片所使用的復合材料的性能問題。國內有很多學者對此均進行了深入研究：汕頭大學的李德源與葉枝全研究了風機模態分析的方法和影響因素，運用ANSYS對600kW的葉片進行模態分析，定量地分析了固有頻率對復合材料葉片的影響[1]；王博與祁文軍利用ANSYS對20kW風機旋轉葉片有預應力狀態的振動模態分析，得到了其前十階振動頻率和振型，發現實驗結果和理論值誤差很小，只有-35%，并對其運行時的安全穩定性進行了驗證[2]；中國水利電力物資有限公司的蔣維利用建成的大型風力機葉片的振動特性分析裝置，用測力法和不測力法對風力機葉片進行模態試驗及分析，測試了風力機葉片的模態參數，得到了葉片的振動特性[3]；內蒙古工業大學的鄧海龍與孫鵬文從工程實際出發，以某15MW風機葉片為例，研究鋪層參數對復合纖維風機葉片性能的影響，在此基礎上，對其進行結構優化和強度校核[4]。然而很少有人從葉片內部結構方面對葉片的氣動性能進行研究。

本文針對西北地區的常用葉片，利用Wilson設計理論為依據進行建模，并對數據進行非線性優化，Wilson 法是在 Glauert 法基礎上做了改進，研究葉尖損失和升阻比對葉片最佳性能的影響[5，6]，目前，氣動外形設計與分析仍基于 Wilson理論[7]。將數據導入UG，完成了葉片和內部硬質塑料的三維模型創建。之后運用有限元分析軟件ANSYS中的 ACP（ANSYS Composite PrepPost）對葉片進行鋪層設計，并對葉片進行模態分析，分析表明葉片具有良好的結構性能，從而為葉片復合材料結構設計方法的研究提供借鑒。

1葉片模型設計

11葉片參數設計

參照國內2MW風力發電機葉片運行參數， 本文的葉片參數如表1所示。

12葉片翼型的選取及相關參數的計算

葉片設計是風力機設計的核心和重點，采用Wilson法對葉片進行設計其葉素的設計公式如下：

風能利用系數：

Cp=8λ20∫λ00b1-aFλ3dλ=8λ0·b1-aFλ4|λ00（1）endprint