3MW风力机玻璃钢叶片有限元分析论文

目录中文摘要-1 英文摘要-21. 绪论-32. 风力机叶片的的建模-42.1 叶片长度和数目的确定-42.2 叶片翼型的选择-52.3 叶片弦长和安装角的计算-52.4 Solidworks 建模-73. 模态分析-113.1 模态分析的定义-113.2 模态分析的作用-113.3 风力机叶片模态分析概述-113.4 叶片模态分析过程-123.5 模态结果分析-144. 流固耦合分析-154.1 流固耦合分析概述-154.2 流固耦合控制方程-154.3 流固耦合分析方法-164.4 风力机叶片流固耦合分析过程-174.4.1 几何模型处理（A：Geometry）-174.4.2 流场网格划分（B：Mesh）-184.4.3 流体分析（C：CFX）-204.4.4 Mechanical APDL 结构静力分析-25结论-30谢辞-31参考文献-32风 力 机 叶 片 的 有 限 元 分 析13MW风力机玻璃钢叶片有限元分析摘要：通过 Profili 软件导出翼型，再由 Solidworks 软件对 3MW 风力机叶片进行三维实体建模，然后基于 ANSYS 和 Workbench 分别对其进行模态分析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的结构静力分析部分也使用到了 ANSYS Mechanical APDL。其中模态分析结果表示：叶片的振型以摆振和弯曲为主，前三阶模态频率分别为 0.34Hz、1.1419Hz、1.7293Hz，能顺利的避开外在激励频率，避免了共振现象的发生。流固耦合分析对额定风载进行了数值模拟仿真，通过结构静力分析，对叶片的受力，变形情况有了一个基本的了解，其中叶片在额定风载情况下的最大应力为 56MPa，远远低于其实测拉伸强度的720MPa。在 11 级风载下的应力云图显示其所受的最大应力为83.8MPa，满足其材料的强度要求。该分析对进一步的疲劳分析和优化设计等提供了参考和依据。关键词：风力机叶片；模态分析；流固耦合分析；结构静力分析；有限元风 力 机 叶 片 的 有 限 元 分 析2Abstract:By Profili software export airfoil, and then by Solidworks software 3MW wind turbine blades for three-dimensional solid modeling,Then based on the ANSYS and Workbench software,the analysis of modal and fluid-structure interaction.And the Static structural analysis is used the ANSYS Mechanical APDL too.The modal analysis results show that the vibration modes of this blade are presented as Shimmy and bending,The first three modes frequencies are 0.3402Hz、1.1492Hz and 1.7735Hz.And it can avoid the external excitation frequency well,Avoid the resonance phenomenon occurs.The analysis of fluid-structure interaction have do a numerical simulation about Rated wind load,through the Static structural analysis we have a basic understanding of the stress and deformation about the blade. And the maximum stress of the blade is 56MPa under the rated wind load.Far lower than the Measured tensile strength of 720MPa.And under the 11 rating wind load.The stress cloud show that maximum stress is 83.8MPa,Meet the strength of the material requirements.This analysis provides a reference and basis for further fatigue analysis and optimization design.Keywords:Wind turbine blades; modal analysis; fluid-structure interaction analysis; structure static analysis; finite element.风 力 机 叶 片 的 有 限 元 分 析31 绪 论 能源是人类社会发展不可缺少的三大动力之一。现如今石油、煤炭等化学燃料不仅资源难以支撑，而且对环境也带来了严重问题，尤其是温室气体排放带来的一系列生态环境问题。因此寻求一种新型并且可再生的能源是当务之急1。目前在可再生能源中，除水电外，风电最具有商业开发条件。风能作为绿色环保的可再生能源，它的开发利用不但能够缓解世界能源危机，而且还具有石油、煤炭等常规化石能源不可比拟的优势，如可持续开发，不存在资源枯竭，不会排放温室气体和其他有害物质等。风力发电的原理 2即是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度） ，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。自 1973 年世界石油危机之后，在常规能源紧缺和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，尤其是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。即便在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。中国新能源战略已经开始把大力发展风力发电设为重点项目。按照国家的规划，未来 15 年，全国风力发电装机容量将达到 2000 万至 3000 万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资 7000 元计算，根据风能世界杂志 3发布，未来风电设备市场将高达 1400 亿元至 2100 亿元。我国风力虽然发电起步晚，但是发展速度快。1986 年，通过引进丹麦的风电技术 4，山东荣成建立了我国第一个并网风力发电场。此后，我国政府先后颁布了许多鼓励风电的政策法规，促进风力发电的发展。这些政策极大的推动了我国风力发电行业的发展，风力发电相关技术水平迅速提高，风电行业产业链日趋完善，装机容量也迅速上升。据统计，截至 2010 年年末，全国装机容量已达 41070，居世界第一。风 力 机 叶 片 的 有 限 元 分 析42 风力机叶片的建模该毕业设计叶片模型是以 3MW 水平轴风力发电机叶片为例进行的。其叶片的三维模型是通过 Profili 导出翼型叶素再由 Solidworks 软件建立，然后转换格式导入有限元分析软件 ANSYS12.1 中进行分析。叶片的建模主要是需确定：叶片的长度尺寸、叶片数目 B、叶片的翼型、叶片截面的弦长 L、叶片截面的安装角 5。下面就根据涡流理论来确定以上参数。2.1 叶片长度和数目的确定在实际设计过程中，对于给定功率的风力机叶轮直径采用蜗牛理论直接由下式 6给出： 38nPVCD式中: D风力机叶轮直径；P风力机输出功率，其中取 P=3MW；C 风能利用系数，高速风力机一般取 P=0.4； 机械传动和发动机效率，取 =0.81；空气密度，取 =1.225 ；3/mkg额定风速，取 =13m/s. nVnV经计算求得 D93.59m，所以取 D=94m，即叶片长度为 47m。考虑到目前国内外的风力机大部分是采用三叶片的，并且三叶片的风力机运行和功率输出比较平稳，所以选择叶片数为 B=3。同时根据表 2.1 确定叶尖速比 5 =6。 o表 2.1 叶尖速比与叶片数的匹配尖速比 叶片数 尖速比 叶片数1 824 4 352 612 58 243 38 815 21风 力 机 叶 片 的 有 限 元 分 析52.2 叶片翼型的选择叶片翼型的种类较多，目前常用的翼型有 NACA 四位数字翼型，NACA 五位数字翼型，NACA 六位数字翼型，这里采用了 NACA 四位数字翼型（NACA4412） ，其特点是：与其他翼型相比，有较高的最大升力系数和较低的阻力系数。从翼型型号得出该叶片的相对厚度为 12%，在实际建模时为了保守起见，将叶片的相对厚度增加到 15%，数值是弦长为 100mm 时厚度为 1.5mm。翼型坐标数据如下图2.1 所示，该数据是以弦长为单位的坐标点数据，单位是 mm。图 2.1 NACA4412坐标数据该坐标点数据是通过专用翼型软件 Profili 导出而来，实际建模时并未使用该表坐标点数据，而是直接由 Profili 导出叶素模型为建模使用。2.3 叶片弦长和安装角的计算风机叶片的形状非常不规则，叶片从根部到叶尖是由不同弦长、不同扭角的叶素构成，而且弦长和扭角都不能用确定的函数或图表来表述。采用风 力 机 叶 片 的 有 限 元 分 析6Glauert 理论 7对叶片的各叶素进行计算。该理论以涡流理论为基础，考虑了轴向和周向的干扰因子，忽略了翼型阻力和叶尖损失，从而使得计算过程比较方便，计算结果相对精确。计算参数背景：风力机回转直径（即叶轮直径 D） ，风力机的叶片数目 B，叶尖速比 ，攻角 i，升力系数 ，r/R 的比值关系（R 即为回转半径，r 是oLC叶素的回转半径） 。其叶素的弦长 L（叶展方向 r 处的弦长）和安装角 （即叶展方向 r 处的扭角）的计算公式如下：LrrBCK1)1()(82ir/arctn(式中： os12)/()h(Kr 2）（ o603/)(arctn）（ R0取其攻角 i=6，设计升力系数 =1.9。LC考虑到叶片根部对风机风轮输出功率贡献不大，把叶片径向的 0.2R-R 段等分为 20 段，即从叶展方向 r=9.4m 处开始计算，将其 9.4m47m 等分为 20 份，每段长度为（47-9.4）/20=1.88m。所以得到的 r/R 的值依次为9.4/47,（9.4+1.88)/47,（9.4+201.88)/47。由于上式的计算较为复杂且重复性好，所以计算时将其导入 excel 表格进行，下表 2.2 即为计算结果。表 2.2 叶展 r处的弦长和扭角L(弦长 m) （扭角） r（m）4.366618738 20.537047395 1.2 9.44.0168624242 17.185220911 1.44 11.283.6776529014 14.508479689 1.68 13.163.3688960845 12.341335083 1.92 15.043.0950547319 10.561592737 2.16 16.92风 力 机 叶 片 的 有 限 元 分 析72.4 Solidworks建模图 2.2 NACA4412翼型 直接用 Profili 导出翼型叶素，如上图 2.2 所示。为了保守起见，这里对叶素的厚度进行了修改，在 AutCAD 中通过偏移指令将其相对厚度适增加到15%，具体数值是弦长 100mm 时的厚度为 1.5mm。然后导入到 solidworks 中进行处理，并且在 0.15C 和 0.5C（C 为弦长）处加上腹板，腹板的厚度与叶素厚度相同，均为相对厚度的 15%。得到了完整的叶素，如下图 2.3 所示。 图 2.3 完整叶素图 以该叶素轮廓线图为基础来建立所有截面的轮廓线，操作方法如下：2.8545433033 9.0799099654 2.4 18.82.6437475648 7.8307201838 2.64 20.682.4586807743 6.765424972 2.88 22.562.2956191899 5.8475472153 3.12 24.442.1513041454 5.0493385046 3.36 26.322.022966343 4.3494073312 3.6 28.21.9082831682 3.7310503503 3.84 30.081.8053163056 3.1810664781 4.08 31.961.712448986 2.6889042173 4.32 33.841.6283299562 2.2460410173 4.56 35.721.5518260144 1.8455259547 4.8 37.61.4819828253 1.481638713 5.04 39.481.4179929801 1.1496323583 5.28 41.361.3591701089 0.84553719867 5.52 43.241.30492793 0.56600967408 5.76 45.121.2547632798 0.30821480535 6 47风 力 机 叶 片 的 有 限 元 分 析8STEP1: 建立基准面，一共需要建立 22 个基准面。操作命令：参考几何体基准面。STEP2: 复制截面叶素轮廓线，将图 2.2 的叶素轮廓线依次复制到相应的