某MW级风机叶片静力试验的有限元模拟分析

。NGFA索NG吡TURBI23DOLNE一V羊森林黄永东赵萍钟贤和东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000摘要通过有限元方法对桌MW级风机叶片的静力试验工况进行了模拟分析，计算了叶片的模态以及在静力试验载荷下的位移、应变。计算结果与全尺寸叶片静力试验结果较好吻合，验证了该分析方法的可靠性，可应用于风电叶片的结构校核和新叶片开发设计。关键词风机叶片；静力试验；模态；应变；有限元分析THEFEMSIMULATIONANALYSISOFSTATICLOADTESTFORONETYPEOFMWWINDTURBINEBLADEYANGSENLIN，HUANGYONGDONG，ZHAOPING，ZHONGXIANHEDONGNGTURBINECO，LTDDEYANGSICHUAN618000ABSTRACTTHESTATICLOADTESTOFONETYPEOFMWWINDTURBINEBLADEWASANALYZEDBYFEMTHEMODEANDDEFORMATIONSTRAINVALUESUNDERTHESTATICTESTTOADWERECALCULATEDTHERESULTSCALCULATEDCOINCIDEDWELLWITHTHERESULTSOFTHEFUIISCALEBLADESTATICLOADTESTITWASSHOWNTHATTHISANALYSISMETHODWASFEASIBLEANDWASUSEDFORTHEBLADESTRUCTURECALCULATIONANDVERIFICATIONASWELLASNEWPRODUCTDEVELOPINGKEYWORDSWINDTURBINEBLADE，STATICLOADTEST，MODE，STRAIN，FINITEELEMENTANALYSIS随着风电机组不断朝着大型化方向发展，风机叶片的长度也不断增加，5MW风机的叶片，长达68M。叶片长度的增加，对其结构强度的可靠性也就提出了更高的要求。目前，静力加载试验是验证风电叶片是否满足设计要求的重要手段。随着叶片的大型化，试验成本变得高昂，而且叶片自身造价昂贵。如果因结构设计不合理而导致试验失败，则将造成巨大的经济损失。因而，找到一种有效可靠的结构计算分析方法对于叶片的结构强度校核和新叶片开发都有着重要意义。与普通复合材料制品相比，风电复合材料叶片具有其独特的结构外型轮廓复杂，叶片壳体基本都为夹芯结构，铺层过渡复杂，截面厚度不同，涉及材料种类较多，另外在叶片前后缘以及剪切大梁部分，有大面积的胶粘区域。这些都给有限元建模和计算分析带来了很大的难度。本文通过三维建模，选用壳单元对叶片壳体、主梁帽以及剪切大梁进行网格划分，建立了叶片的有限元模型，以悬臂梁的方式分析计算了叶片的模态和分别在不同静力试验工况载荷下最大、最小作者简介羊森林1985一，男，工学硕士，2009年毕业于四川大学材料加工工程专业，现从事风电叶片设计工作。24I圣言汔粉揍LDONGFA1“4GTURBINE挥辨以及最人、最小摆振的位移及应变值，并与全尺寸叶片静力试验数据进行了对比。J2计滔黑拜1有限元模型及计算方法11有限元模型的建立对某MW级大型风机R片，首先在兰维CAD软件中建立几何模型见】，然后在有限元分析软仆巾进行网格划分、铺层、材料属性设置、结构陶化、节点偏置等操作对叶片模型进行处理，建立了比较准确的有限元模型。其中铺层完伞参照设计艺文件，材料性能参数根据实际试验测试结设置。该有限元模型单元数为75046，节点数为74703见图2。2叶片有限元网格划分模型局部12计算方法采人型结构分析软件MSCPATRANNASTRAN进行计算分析。分析垒I皇标系为X一叶片弦向方向；Y叶片厚度方向；Z一叶片轴向长度方向。约束与加载叶片根端节点的6个自由度被约束，整个叶片简化为悬臂梁模型。加载方式以及载荷大小都与静力试验加载一致。21重量及模态表L为通过建模计算获得的叶片重量及重心与测试值的比较，没有考虑螺栓、法兰以及油漆的重量。通过比较可知，建模计算的叶片重心与实测值基本吻合，而计算重量略偏小，这可能是南于在建模时，夹芯材料灌胶后密度变化以及粘接剂用量等参数与实际有偏差，另外建模重量没有考虑接闪器配件及其导线固定铺层的附加重量。表1叶片重量及重心的建模计算值与测试值对比注术偏差汁算值测试值测试值100；重心与叶根端面的距离。风电叶片的同有频率不仅仪是叶片刚度的表征值，还在很大程度上决定了风轮的吲有频率，从而影响着塔筒及整机的安全性。因此，需对风电叶片的低阶一阶、二阶固有频率准确预测和测量，这也是风电叶片设计时必须考虑的关键参数之一。表2列出了叶片挥舞和摆振一阶、二阶频率的计算值和测试值，图3图6分别为叶片挥舞、摆振一阶和二阶的有限元模拟振型。由表2可知，叶片挥舞方向固有频率计算值比实测值略大，摆振方向固有频率计算值比实测值略小，其原因可能主要是叶片建模重量偏小，以及建模计算时叶根采用完全刚性约束，不能真实模拟实际试验叶片根端的螺栓固定方式。但比较发现，所有的偏差都小于5满足GL设计认证要求，仅有挥舞一阶偏差相对较大，这表明该分析方法能够比较准确地计算模拟叶片的模态。表2叶片固有频率计算值与测试值对比注测频采用了应变片测试方法。的方式进行，可以有效地控制扭曲变形；通过对比试验得出五级叶片的最佳焊接工艺参数为焊接电流160170A、焊接电压24245V在焊接时可将进汽边分成7段，出汽边分成3段的倒退焊和分段冷却的焊接顺序。4在叶片的校型时应考虑校型后的回弹量和后续加工产品的合格率，因此叶片出汽边的背弧边公差控制在1M内。出汽边的直线度控制在05MM内，FF截面背弧漏光检查应大于5MM。5针对在核电空心叶片国产化批量生产过程中出现的产品报废率较高的问题，本文只研究上接第28页从而验证了该分析方法在工程应用上的可行性和可靠性，其理论计算值可作为大型风电叶片的结构强度校核以及结构优化的参考依据。由于理论建模过程中采取了一定的简化处理，与叶片实际的生产操作存在一定的差异，因而如何对实际生产叶片进行更准确地建模分析比如如何更准确地计算模拟摆振工况下叶片前缘的应变等，为新叶片的设计提供准确的理论依据，将是以后工作研究的方向。另外叶片的理论计算是否准确，与提供的材料性能和用于产上接第41页急收桨，同时，主轴刹车器的信号和实际运动也得到检验。另一方面，要确保主轴刹车器在制动时能正常动作，还得保证在外部断电的条件下UPSET,正常输出。由于各种原因风机白检有可能失灵，或检测不到位，而电池收桨和主轴刹车器对变桨风机的索言乞扮拔DONGFANGTURBINE49了优化的方案设计，对于具体结构参数的确定还需要进一步完善。参考文献1苗玉刚，刘黎明，赵杰，等合金熔焊接头组织特征分析【焊接学报，2003，24263662周振丰，主编焊接冶金学金属焊接性【7北京机械工业出版社，1997【3杜国华，主编实用焊接材料手册【M】北京机械工业出版社2004品的实际材料参数是否相符密切相关，因此要求提供的材料参数能够反映叶片实际生产情况，这样才能够较准确地预测叶片性能。参考文献【1】FMJENSENA，BGFALZONB，JANKEMENB，HSTANG，COMPOSITESTRUCTURES2006，7652612】PJSCHUBE1TECHNICALCOSTMODELLINGFORAGENERIC45一MWINDTURBINEBLADEPRODUCEDBYVACUUMINFUSIONVI，RENEWABLEENERGY2010，35183189安全起着极其重要的作用。在大风来临之前和大风过程中在控制室或者现场对风机进行安全检测，既简便易行又安全可靠，能迅速排查主轴刹车器和电池收桨的问题，及时排除风机的安全隐患。同时，风机每次自检都能自动启机，减少手动复位次数，从而使风机运行更加稳定。数控砂带磨床顺利通过专家鉴定53Q14日，由东方汽轮机有限公司、北京胜为弘技数控装备公司、武汉华中数控股份有限公司、华中科技大学联合研发完成的国家重大专项大型叶片六轴联动数控砂带磨床在东汽顺利通过专家鉴定。鉴定会由中国机械工业联合会副秘书长李冬茹主持。中科院院士徐性初，来自机床工具协会、北京机电院、哈尔滨汽轮机厂、无锡叶片厂等单位的机床和叶片加工专家，东汽投资发展公司总经理肖珉及项目主要参与部门领导出席了鉴定会。鉴定会L，项目组做了砂带磨项目工作报告和技术报告，并对专家组提出的机械、电气、工艺及软