基于有限元的風力機葉片結構特性分析

摘要：在目前的新能源領域發展史上，風能的速度日新月異。但風電機組運行環境使得風力機葉片的運行中承受著巨大的動態和靜態載荷;其動態特性、結構強度和穩定性對風力發電機組可靠運行起著非常重要的作用。在此，針對某風力機葉片的結構進行動態特性—模態進行有限元計算分析。得出結論：葉片在測試中，揮舞和擺振是前四階振動的主要體現形式;總體看揮舞方向剛度比擺振方向剛度小，故揮舞方向固有頻率低，為后期風力機葉片結構設計提供參考。

關鍵詞：特性分析;葉片結構;風力機

引言

風資源的應用在全球新能源和可再生能源行業中創造了最快的增長速度，是目前世界上能源領域發展最快的技術之一。而寧夏回族自治區能源發展“十三五”規劃中也有明確指出，要在2020年風電裝機達1100萬千瓦 建成5個大型風電場，實現風資源有序開發。但是風力機運行環境一般比較惡劣，風力機葉片的運行情況和受載復雜，其動態特性分析對葉片結構及風力發電機組的可靠性設計起著非常重要的作用[1]。

1. 葉片的基本參數及結構型式

1.1 葉片的基本參數

研究對象風力機葉片基本參數如下：額定功率：1500KW;功率控制：變槳;風輪直徑：82.5m;切入風速：3m/s;切出風速：25m/s;轉速范圍：10.3～20.7rpm;額定轉速：17.4rpm;最大功率系數：0.489;葉尖最大撓度：6.3 m最佳尖速比：9.0;錐角：3°;旋轉方向：順時針;葉片數：3片;輪轂高度：80 m;長度：40.25 m;最大弦長：3.183 m;扭角：16°;

1.2 葉片結構型式

葉片作為風電機組中獲得風資源的主要部件，保證風力機正常運行的決定因素即為其優良的結構設計。葉片結構設計的目的就在于使其具有恰當的外形和合理的復合纖維鋪層結構，以確保葉片在受載時不發生局部失效[2]。3葉片采用單梁雙腹板結構，分別由2個葉片殼體（參見圖1）組成完整的葉片，形成空氣動力學形狀的葉片殼體（A）是由 ±45°、0°/±60°、90°/±45°和0°單向復合氈等玻璃纖維為基礎的環氧基 復合壓和夾層板（沿葉片縱向方向）制造。復合層的采用PVC泡沫或 Balsa木。夾層的功能在于增加葉片的抗彎剛度，保持葉片外形的 完整性，防止葉片在外載荷作用下變形。 沿殼體中心放有1個梁，2個腹板與上下梁粘接。腹板的存在目的是是的葉片殼體之間保持固定的結構和承擔風載荷并將其轉化為橫向受載。后緣邊方向上的葉片固有重量由后緣邊處的后緣梁分擔，后緣梁也是由單向復合氈纖維制成[3]。

1.3 鋪層結構

葉片是由各向異性的的復合纖維板鋪設而成，可視其為纖維增強層合板模型。在鋪層有限元分析中，首先要加載鋪層纖維各向參數，以保證后期計算的可行性。葉片視為層合板模型。即由相同的單向板以不同的角度鋪設而成，可定義單向板各個方向的參數，單向板使用玻璃纖維作為增強材料，環氧樹脂作為基體。葉片的鋪層結構復雜，在此采用對其模型分段定義的方法，即按照鋪設層數延展向劃分為若干單元。通過定義不同的方向角、不同的厚度、材料，定義不同的鋪層，將所定義的材料賦給有限元模型。這樣就最大限度地模擬了葉片鋪層的真實情況[2]，基于葉片模型的薄壁及復合材料特性，選用shell薄殼單元，鋪層方式如圖2。

2. 葉片強度分析

葉片三維模型的建立首先利用CATIA V5平臺依據各個截面的輪廓線建立模型框架，然后通過截面放樣生成葉片的曲面造型。網格的劃分采用四邊形單元。在單元數目的選取上進行了多次嘗試，實踐表明：單元數目的選取有一個最佳范圍，小于這個范圍，求解精度不夠， 超過這個范圍，對結果精度的提高則很有限，反而會影響求解速度。通過多次試算選取單元數目為 725934。這個數目既能保證求解問題的精度，又不影響求解速度。其中結構動特性——模態分析只將根部6個自由度全部約束，除 此之外其余強度等計算在葉根部將 6 個自由度全部約束，分別將葉片氣動計算的載荷按相應位置施加相應的載荷。

2.1 結構靜強度分析

2.1.1 載荷工況的選擇

葉片結構靜強度計算的載荷工況根據葉片BLADE 軟件的載荷計算結果，選取了出現的兩種最大的極限載荷情況，即：

工況一：根據 GB18415.1-2001《風力發電機組 安全要求》的規定，DLC1.5 風況為，風力機處于運行狀態，并被接有電力負載，風力機總體布局考慮風輪不平衡的影響，考慮外部故障和電負荷損失的瞬態情況。此時采用 1 年一遇極端運行陣風進行模擬。載荷設計安全系數為 1.35。

工況二：根據 GB18415.1-2001《風力發電機組 安全要求》的規定的 DLC6.1 風況：即在風力機停機時，風輪停止不動或空轉，此時采用 50 年一遇極端湍流風模型，平均風速為 37.5m/s，風剪切系數為0.11，偏航誤差為+30°至-30°，空轉漿距角為 90°，載荷設計安全系數為 1.35。

工況三：“過工況”，即將前兩種工況下的 Fxmax、Fymax、Fzmax 同時作用到葉片各個截面上進行計算

6.1.2 強度計算結果

在本計算過程中出現了應力集中區，在工況一、二、三狀態下， 引起的最大應力部位主要集中在葉片根部、根部玻璃鋼復合材料與夾芯層連接部位、梁與玻璃鋼連接的起始部位、后緣等位置。風機葉片殼體各鋪層均為正交各向異性材料，與各向同性材料相比，各向異性材料最大作用應力并不一定對應材料的危險狀態，因此不能采用各向同性材料的強度理論。要準確判斷正交各向異性材料的強度，應該根據材料第一主應力及層間剪應力為計算分析依據。

對于穩定性分析，文中采用特征值穩定性分析法：τ≤[τ]= τrk /Mc;σ≤ [σ]=σrk/Mc。不穩定發生的位置主要位于距離葉根 5～13m 處（吸力面）。這一段的結構特點是：截面弦長比較長，后緣與腹板距離比較大，在空間上形成一個比較大的空腔結構，腔體上表面受到壓力比較大，又缺少腹板的有力支撐，所以這一段葉片發生不穩定的可能性就比較大。因此從這一段主梁、后緣上分別取點進行研究，應力值取的是最大值工況來分析：主τrk=42MPa，σ rk =659MPa;后緣τrk=45MPa，σ rk =553MPa;經計算，葉片結構在實際極限載荷作用下不發生分層、折皺、翹曲，該葉片滿足屈曲強度要求。

2.2結構模態分析

為了避免風機在運轉過程中葉片的頻率與機組的頻率產生共振，本計算分析給出葉片的一階揮舞和擺振方向的固有頻率。對于葉片長度大于30m，計算過程對葉片揮舞方向和擺振方向的二階頻率和一階扭轉頻率等都進行了分析計算與研究，限于篇幅，只附部分揮舞和擺振振型云圖。

其計算結果是：頻率階數從1階到6階中，其固有頻率分別為：3.6401、4.6275、7.6860、8.3462、10.615、11.607，振型均為揮舞擺振耦合。由計算結果可見，前 4 階都以擺振和揮舞及其耦合振動為主， 即揮舞和擺振是風力機葉片的主要振動形式。總體看揮舞方向剛度比 擺振方向剛度小，故揮舞方向固有頻率低。風輪的額定轉速為 17.4r/min，因此機組激振頻率為 0.29HZ，經計算得到的揮舞一階靜態固有頻率為 0.894，高于 3 倍轉速頻 0.87Hz，而此時的揮舞一階動態頻率值也已在機組激振頻率3倍倍頻±5%范圍外。故葉片在額定工況附近運行，避開了葉片固有頻率共振區，滿足其動力特性的設計要求[4]。

3.參考文獻：

[1]李明.變槳距風力發電機組葉片模型的載荷測試實驗[J].北京：太陽能學報，2013（9）：P1574—P1578

[2]姜勇.復合纖維風機葉片結構設計與建模[J].山東：科技經濟導刊，2016（32）：P94

[3]鄧海龍.鋪層參數對復合纖維風機葉片性能的影響分析及結構優化設計[D].內蒙古：內蒙古工業大學

[4]馮消冰.某大型風力機復合材料葉片的有限元分析[J].廣東：合成材料老化與應用，2015（1）：P96-P101

7 作者簡介?簡介：姜勇、男、1987年12月、碩士、講師、風力機葉片結構設計

資助項目基金：寧夏高校科學研究項目基金（NGY2018-258）