（机械电子工程专业论文）frp风力机叶片设计与有限元分析.pdf

中文摘要 随着化石能源的过渡消耗以及其对环境带来的严重影响，风能凭借其清洁、 可循环利用等诸多优点而越来越受到重视，各国都在积极开发利用本国的风能 资源，中国也不例外。近几年我国的风能发电业发展到一定的规模，但是我国 关于风力发电技术的研究远落后于世界各国，尤其是风力发电机的关键技术。 本文对风力发电机的关键部件叶片进行了研究。主要研究工作如下： 1 根据风力发电机叶片设计的经典理论设计叶片的外形，利用三维建模软件 p r o e 建立叶片的三维实体模型。其中根据叶片翼型数据较多的设计特点，在传 统建模方法无法实现的情况下，提出了导入数据文件的建模方法，提高了模型 的建立效率。 2 依照飞机结构设计中的机翼及螺旋桨叶的铺层设计经验，结合风力发电机 叶片空气动力学受力特点，以1 1 m w 风力机叶片的设计为对象，分析确定了一 种铺层方案，为动力学分析提供了研究模型。 3 利用a n s y s 有限元分析软件，使用复合材料s o l i d l 8 5 单元对叶片模型 进行了静力分析和模态分析，并绘出叶片在停机风速下的应力情况图，同时确 定出叶片的前十阶固有频率。结合叶片断裂的问题分析，为叶片的结构设计提 供了参考依据。 关键字：风力发电机，玻璃钢，三维建模，有限元分析 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s u m p t i o no ff o s s i lf u e l sa n dt h e i rs e r i o u si m p a c to nt h ee n v i r o n m e n t ， t h ew i n de n e r g yw i t ht h ea d v a n t a g e so fc l e a n sa n dc a nb er e c y c l e df o ru s ei sg r o w i n g i m p o r t a n c et om a n yc o u n t r i e sa n dt h e ya r ea c t i v e l yd e v e l o p i n ga n du t i l i z i n gi t sw i n d r e s o u r c e ，c h i n ai sn oe x c e p t i o n t h ei n d u s t r yo ft h ew i n dp o w e rd e v e l o p st oac e r t a i n s c a l ei nc h i n al a s tf e wy e a r s ，b u tc h i n ag e t sb e h i n dt h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t yi n c o n c e r n i n gt h et e c h n i c a lr e s e a r c ho fw i n dp o w e r , e s p e c i a l l yt h ek e yt e c h n i q u eo ft h e w i n dt u r b i n e t h eb l a d e s ，t h ek e yp a r to ft h ew i n dt u r b i n e ，w e r es t u d i e di nt h i sa r t i c l e t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ec l a s s i ct h e o r yo ft h ew i n dt u r b i n eb l a d ed e s i g na n du s i n g3 d m o d e l i n gs o f t w a r e - p r e e ，t h eb l a d e s3 ds o l i dm o d e li se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h e s i t u a t i o nt h a tt h e r ea x el o t so fa e r o f o i ld a t a ，as u i t a b l em o d e l i n gm e t h o di sp u to u t w h i c hm a k et h em o d e l i n gm o r eq u i c k l ya n da c c u r a t e l y 2 a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ed e s i g no fa i r f o i la n da i r s c r e w , e s p e c i a l l yt h ep l a c e m e n t m e t h o do fl a y e r s ，c o m b i n i n gt h ea e r o d y n a m i c sa n di t sf o r c ec o n d i t i o n ，t o o k1 1 m w b l a d ef o re x a m p l e ，c o m p u t e dal a y e rd e s i g n g i v eam o l df o rd y n a m i c sa n a l y s i s 3 b yu s i n ga n s y s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sc o d e ，t h eb l a d em o d e l ss t a t i ca n dm o d a l a n a l y s e sa r em a d e ，a n dt h ec u r v eo f b l a d e ss t r e s si nu l t i m a t ew i n ds p e e di sd r a w no u t a n dt h ef i r s t1 0n a t u r a lf r e q u e n c i e sa r eg o to u t c o m b i n e dw i t ht h ep r o b l e ma n a l y s i s o fb l a d er u p t u r e ，t h ef i n a lr e s u l t st a k ea ne s s e n t i a lf o u n d a t i o nf o rs t r u c t u r ed e s i g no f t h eb l a d e k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n eb l a d e s ，f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c , t h e3 dm o d e l i n g ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生( 签名) ：糍日期：塑墨：! 至：堕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：链导师( 签名) ：必日期：竺璺! 哆 武汉理t 大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 。1 世界风力发电的历史、现状及前景 人类利用风作为一种能源已经有很长的历史了，早在公元前，人类就开始 利用风能提水、碾米、磨面及船的助航1 1 1 。1 8 8 1 年，丹麦的拉库尔教授研制成2 台9 千瓦的风力发电机，建成了世界上第一座风力发电站，从此人类走上了利 用风能发电的道路。第一次世界大战之后，丹麦仿造飞机的螺旋桨制造二叶和 三叶高速风力发电机并网发电开拓了现代化利用风能的先河。到了近代，由于 内燃机的广泛使用，燃料来自廉价的石油，风力发电机成本较高，与内燃机发 电相比不具有竞争力，使风力发电机的发展近于停顿状态。1 9 7 3 年发生了世界 性的石油危机，美国、西欧等发达国家为了需求替代化石燃料的能源，投入大 量经费，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制 现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期1 2 l 。现在，风能是世界上应用最为 广泛的可再生资源之一，风力发电技术也得到快速提高。 1 2 课题研究背景及来源 近年来国际原油价格高位运行，从而引发各国对能源问题的广泛关注，纷 纷采取有效措施保证能源的供应。面对可能的能源危机，对能源的争夺，将是 未来全球冲突的主要原因。解决能源危机的办法，一是提高燃烧效率以减少资 源消耗，实现清洁煤燃烧以减少污染；二是开发新能源，积极利用再生能源； 三是开发新材料、新工艺，最大限度地实现节能。 2 0 0 5 年2 月1 6 日，旨在减少温室气体排放的京都议定书正式生效，以 包括风力发电在内新能源代替火力发电，减少二氧化碳的排放已成为全球共识， 世界各国正在争相发展新兴能源【3 j 。在太阳能，生物质能等众多新能源产业中， 风电行业属于各国首先发展的位置。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越 受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2 7 4 1 0 9 m w ，其中可利 用的风能为2 1 07 m w ，比地球上可开发利用的水能总量还要大1 0 倍。全球风 能发电正以年增长3 5 的速度发展，德、美、意等国高达5 0 ，成为发展大趋 武汉理工大学硕士学位论文 势，全球风力发电年产值已超5 0 亿美元。 欧洲风能联盟( e w e a ) 2 0 0 4 年度报告指出1 4 l ：到2 0 1 0 年，风能发电将占欧 洲用电需求的5 5 ；到2 0 2 0 年，则可达到1 2 。在风电老大的德国已有7 0 余 家私营风电开发企业，德国本土风力发电2 0 0 5 年底总装机1 7 ，5 7 4 台，总装机 容量1 8 4 2 8 m w ，风力发电量占总发电量4 3 。德国计划将风力发电在2 0 5 0 年 达到总发电量的5 0 。德国正把风能发电的经验传到5 0 多个国家和地区。 2 0 0 5 年，中国全国人大会议通过中国第一个新能源立法可再生能源法。 积极发展风力发电成为了我国实现可持续发展、生态环境保护的基本国策的手 段之一，这有利于改善我国的能源结构、增加优质能源、克服能源紧张、消除 电力不足的瓶颈【习。在这样一个政策背景下，我国的风力发电研究也有了很大的 发展。 1 3 风力发电机叶片技术的发展与现状 风力发电机需要用叶片将流动的风能转化为发电机转动的动能，因此叶片 是风力发电机中最基础最关键的部件，也是风力发电机技术的重点和难点。其 良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。 恶劣的环境和长期不停地运转，对叶片的要求有：比重轻且具有最佳的疲劳强 度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶片的弹性、 旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定 性好：耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好。由于叶片约占整个风力发电机成 本的1 4 到1 3 左右，因此控制叶片的成本也是设计叶片时需要考虑的内容。 叶片技术随着材料科学、空气动力学、结构力学和工艺学的发展而不断进步， 在小型风力发电机中先后出现了以下几种主要形式的叶片【6 】： 1 ) 木制叶片 在风力发电机刚开始出现时所使用的大都为木制叶片，而此时的风力发电 机也都为1 k w 以下的小型或微型风力发电机，如法国的p a r i s r h o n e 风力发电 机。木制叶片的优点是质量轻，材料来源广泛，但木制叶片的缺点是不易做成 扭曲型，因此从叶柄到叶尖没有扭角的变化，空气动力效率很低，而且必须用 强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。 木制叶片现在很少使用，只在个人家庭手工制造风力发电机时使用。 2 武汉理工人学硕士学位论文 2 ) 铝合金叶片 铝合金质量轻强度高，制造方法可分为铸造和挤压成型两种n 其中挤压成 型的叶片易于制造，可连续生产，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，叶根 与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现，安装方便，因此在小型 风力发电机上得到广泛应用，如法国的a e r o w a t t 风力发电机、e n a g 风力发电机、 a e r o t u r b i n e 风力发电机，德国的b r u m m e r 风力发电机、英国的s m i t h 风力发电 机等，但挤压成型的叶片均为等弦长，因为目前世界各国都尚未解决从叶根到 叶尖渐缩小这种挤压工艺。铝合金铸造叶片的工艺来源于航空螺旋桨的制造。 铝合金叶片的缺点是空气动力效率较低，价格比较昂贵，这些都阻碍了其在风 力发电机上的应用与发展。 3 ) 玻璃纤维复合材料叶片 玻璃纤维复合材料就是以环氧树脂、不饱和树脂等根据使用情况渗入不同 形式的玻璃纤维复合而成的材料i 剐。玻璃纤维复合材料质量轻、强度高、耐腐蚀、 抗氧化，是制造风力发电机叶片的理想材料。随着小型风力发电机向高效率、 高强度、低质量的方向发展，玻璃纤维复合叶片在小型风力发电机上得到大规 模应用。复合材料叶片的制造方法与传统机械产品的制造方法完全不同，其采 用在相应模具中分别制造出叶片的上面和下面，然后合模整体成型的方法制造， 这种方法生产效率高，同时整体成型减少了叶片中的接头数量，降低了应力集 中，使叶片的力学性能更好。复合材料叶片还可以根据叶片的应力分布情况调 整复合材料在各个位置的铺敷层数和纤维的铺敷方向，能合理和有效的利用材 料。 1 4 课题研究的目的及意义 从国外风力机的实际应用来看，由于对制造工艺的研究未达一定水平，对 设计中动力学问题研究不够，造成风力机不能正常运转，甚至失效和毁损的例 子屡见不鲜。从我国内蒙、江苏等地风力机的使用情况看，有许多未经严格气 动计算和动力学分析的风力机，在运行过程中发生毁损的例子，有些样机在试 运行期间问题就层出不穷，还没有投产就被迫停产。这些问题不解决，不但会 造成巨大的经济损失，而且严重影响了风力机的应用与推广。 2 0 0 6 年6 月的第三届亚洲风能大会f 9 j 的展览活动中，展览内容涵盖了有关 3 武汉理工大学硕士学位论文 风力发电领域的所有设备零部件以及相关应用材料。其中在叶片的制造环节， 会上展出了有真空浸渍技术制造的大型叶片；在2 0 0 6 年9 月的上海国际风能展 览中，展出了美国某复合材料机械有限公司生产的大型风能叶片全自动纤维铺 放机，标志着叶片的制造工艺已到了一个新的阶段。虽然我国在对风力发电机 研究起步较晚的情况下，能够独立的完成一些风电机的研制，但我国也有很多 技术需要向国外购买，由于制造技术的限制及他国对技术的保留，我国的风力 机叶片的制造水平与国际先进水平还存在着一定的差距。因此研究风力发电机 叶片技术也就势在必行。 1 5 论文的主要研究内容 1 ) 通过对风力机叶片气动原理的分析，明确叶片的构型特点，形成规律及 曲面性质，为下面的缠绕铺放的研究提供基础条件。 2 ) 通过p r o f i l i 软件获得二维翼型数据，结合三维坐标变换理论，利用 m a t l a b 软件实现三维翼型数据的采集，为三维建模提供基础。 3 ) 利用p r o e 强大的曲面造型功能针对某一型号的风力机叶片实体建模， 为后续的有限元分析、叶片缠绕铺放方式的建立提供基础模型。 4 ) 进行叶片的铺层设计。叶片的铺层设计是根据叶片在工作状态下产生的 轴向力、弯矩和扭矩来决定的。 5 ) 验证所设计的叶片的强度、刚度、振动频率等，在最后我们把在p r o e 中建立的模型导入a n s y s 进行强度分析及模态分析。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章风力机叶片的气动设计与建模 2 1 风力机的基本理论 2 1 1 贝茨( b e t z ) 理论 世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的完整的理论是1 9 1 9 年由 a 贝茨( b e t z ) 建立的。贝茨理论应用一元定常流动的动量方程，来讨论理想 状态下的风力发电机的最大风能利用系数【1 0 l 。贝茨理论的假设条件为： 1 ) 风轮流动模型可简化成一个单元流管，如图2 - 1 所示： 2 ) 风轮全部接受风能，没有锥角、倾角、和偏角，这时风轮可简化成一个平面 浆盘； 3 ) 风轮对空气流没有摩擦阻力； 4 ) 空气流是连续的、不可压缩的，这时风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的 气流静压相等，即号= b ； 5 ) 气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的( 或称平 行风轮轴线的) 。 图2 1 流经风轮气流的单元流管 5 武汉理r t 大学硕士学位论文 将动量方程用于图2 - 1 的单元流管，可得作用在风轮上的推力为： t = ，l ( k k ) 式中：k 风轮前方的风速，m s ； 叶片扫掠后的风速，m s ： m 单位时间内的质量流量，堙： m p s v 式中：p 空气密度，冶m 3 ； s 叶片扫掠面积，m 2 ： 矿实际通过风轮的风速，m s 。 根据风轮前后的压力差，作用在风轮上的推力又可写成： t s ( 一只) 式中：风轮前压力，p 口或切口； 咒风轮后压力，p 口或助口。 应用伯努利方程； 吾p k 2 + 只；吾：+ i 1p y ：2 + 。吾j d y 2 + 丑 可得v 。坚咝 2 式中：y 风经过叶片时的速度，m s 。 令vt v l ( 1 - a ) 贝i j k v i ( 1 2 a ) 式中：口轴向干扰系数，口，监当。 讨论得出： 当口一三2 时 当口 三2 时 当口 1 2 时 k - 0 ； k 0 ( 正常风车状态) 。 风轮的轴功率可用下式计算： p 等) 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 武汉理工人学硕士学位论文 把式( 2 - 2 ) 、( 2 - 5 ) 和式( 2 - 6 ) 代入式( 2 - 7 ) 得： p = 2 p s v l 3 a ( 1 一口) 2 ( 2 8 ) 风速k 是给定的，风轮的轴功率p 取决于口，则风轮最大轴功率发生在譬：o 时， i d p = 2 p s v l 3 ( 1 4 口+ 勋2 ) = o ( 2 9 ) 求得口一吾或口；1 。 由于口 m ；，所以只需计算膨吁所引起的弯曲应力即可，而膨亭 所引起的弯曲应力很小，可以忽略不计。 扭转剪应力按闭1 2 1 薄壁杆件的扭转进行计算，对等壁厚截面有 z 一警( 剐 ( 3 - 1 9 ) 式中q 截面周边中线所包围的面积的两倍，即内外截面积之和，m 2 ； f 壁厚，m 。 3 ) 叶片的刚度计算 在计算叶片的刚度时，通常把叶片简化成一段固定的悬臂梁，一般要求计 算出的叶尖挠度和扭角小于相应的许用值。 ， 叶片的挠度计算由于，。较大，而歹。方向的弯矩又较小，所以在计算中可 武汉理工大学硕士学位论文 以不计 方向的挠度。叶尖在x ，】厂方向的挠度分别为 厶2 e 每( 圳s i n 础( m ) 矗一e 每( 艮卅c o s 础( m ) 叶片的总挠度为 ，。打丽m ) 如果要求出叶片上任意位置的变形， 位置r 值即可。 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) 只要把上述各式的积分上限改为该 叶片的扭角计算在计算叶片的扭角时，采用闭口薄壁杆件的扭转公式进行 计算。叶尖的扭角为 a 妒。产m x d r ( 3 2 3 ) 式中m r 扭转力矩，n 所； g 剪切弹性模量，； ，r 扭转惯性模量，胁4 。 4 ) 叶片各叶素铺层厚度的计算 其计算过程如下： 叶剖面的截面尺寸，因无现成资料，故用数值积分求得。其中截面特性系 数a i 值查表得到。 对于实心截面来讲 重心位置蒜1 9 b 惯矩二：。= 口a 4 s 6 b c 3 c 。= 。0 。0 。3 4 6 幼b 对于空腹截面来讲 截面积 a 一2 a 。( b + c ) 6 1 3 8 ( b + c ) 6 重心姐麓二! ：之：嚣 惯矩二：二：笛：竺嚣譬荨：竺 6 c ，十埘埘) 3 】 周长j 一爿6 - - - i 3 8 ( b + c ) 扇形面积 q = 1 3 s ( b - 5 ) ( c - 6 ) 3 7 武汉理工大学硕士学位论文 扭转惯矩j 。q 2 6 s 由于没有气动载荷的详细资料，根据叶片轴向推力计算的经验公式( 3 9 ) ， 在停机风速下，轴向切力集度靠一p = 0 4 v 2 = 0 4 2 0 2 1 6 0 n m 2 ，弯矩 m y ；f 鲰( ，一r ) 咖；靠，2 0 一野厂p 。 在满足叶片强度要求的前提下，单向层材料为7 ：1 玻璃布，4 5 。层采用1 ： 1 玻璃布，内部为泡沫填充，并对其壁厚进行优化，以减轻叶片重量和节省材料。 树脂含量为5 0 时，按二者比例估计e 一2 1 1 0 1 0 p a 。 初选壁厚时，假定叶片是一根一端固定的非扭曲悬臂梁，并假定i 1 1 1 是直线 变化的。百m = 甏( 1 - 吾) ，端点挠度为篁筹，技术要求中，叶片挠度 墨8 0 r a m ，令l 一5 5 0 r a m ， 争一1 6 7 。则第一截面的惯性矩为 ，o ，一z _ 竺l 鬲一4 7 1 c m 2 。当选用壁厚为2 0 r a m 时，此时 1 6 7 1 1 3 0 5 5 0 l 。 。一 一 一 y , 1 = 0 0 4 2 b c 3 一( 6 2 6 ) ( c 一2 6 ) 3 1 4 8 0 c m 2 ，符合条件。 由于叶尖部分线速度大，为防止局部失稳，其截面不宜过薄，初定壁厚为 5 r a m ，叶片中间各叶素的壁厚在5 r a m 至2 0 r a m 之间变化，然后进行校核，调整 厚度。经过计算之后得到从叶根到叶尖1 1 个叶素截面厚度的大概值，见表3 - 1 。 表3 - 1 各叶素截面厚度值 截面 123 4 567891 01 1 编号 截面 5 0 01 0 0 0 1 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 05 5 0 0 ，m m 截面间 5 0 05 0 05 0 05 0 0 5 0 0 5 0 05 0 05 0 05 0 05 0 05 0 0 距m m 壁厚 2 01 81 6 1 4 1 21 0 87 6 55 6 聊加 3 8 武汉理1 ，人学顶七学忙论文 3 24 叶片缠绕层建模 根据以r 数据，可以在p r o e 巾建立时片的精确模型，首先将i b l 文件调入 p r o g ，得到如图2 ，1 3 的各叶素曲线，存对每个叶素的气动外形曲线进行偏移， 及采用变截面扫描特性，得到如图3 7 所示的结构框架图。从图珥i 可以清楚的 看到叶片小同叶素有着不同的厚度。 图3 7 叶片结构框架图 实体化后得到叶片的直观的模型，如图3 - 8 所示 图3 - 8 叶片结构实体图罔3 - 9 叶根剖面图 在叶根处为了便于清楚的看到叶片的结构，将叶根进行剖面，u ，以明显的 看到泡沫芯和纤维层，如图3 - 9 所示的局部放大图。 武汉理工人学硕十学位论文 3 3 叶片的根端连接设计 叶片所受的各项载荷，无论是离心拉力还是气动弯矩和扭矩都在根端达到 最大值。如何把整个叶片上所承受的载荷传递到轮毂上去就是叶根连接设计。 玻璃钢强度性能的一个弱点是剪切强度较低，而构件的连接很多是依靠材料的 剪切强度的。在玻璃钢叶片设计中，根端的连接设计往往是解决整个叶片问题 的关键。 叶片与轮毂连接使叶片成悬臂梁形式，作用在叶片上的载荷通过叶片根端 连接传到轮毂上，叶根的载荷最大，因此叶根连接处必须具有足够的剪切强度、 挤压强度，与金属的胶接强度也要足够高。 风力机的叶片根端形式主要有金属法兰( 法兰与叶根螺栓连接或胶接) 和 预埋金属杆【2 7 1 。 金属法兰常用整体锻制法兰，以提高法兰的机械性能。金属法兰强度分析 包括连接螺栓强度、法兰环及圆管应力。对于传统的玻璃钢叶片，金属法兰和 叶根采用螺栓连接，需要校核玻璃钢层板孔边挤压强度。而对于复合材料叶片， 法兰与叶根柱壳胶接，而不是传统的螺栓连接，这可以减轻根部的重量。 叶片还采用预埋金属杆的根端形式，如丹麦的l m 叶片系列，此种根端利 用金属杆与玻璃钢层板的胶接强度来传递载荷。胶接强度可采用近似方法来估 算，理论分析表明：在一定的胶接长度内承载能力随胶接强度增加而增加，但 胶接长度超过一定范围，胶层平均应力减少，承载能力增加就很缓慢。故单纯 增加胶接长度并无意义。应通过理论分析并配以试验来确定预埋件的长度。胶 接剪切强度也应由试验来得到。试验应尽量模拟实际边界条件及金属与玻璃钢 界面，以获得可靠的数据。胶接区域应力较高，为使高应力区平稳过渡到非胶 接区，过渡区域长度应是胶接长度的1 2 倍。 对于复合材料，其连接方式主要有两种：胶接和机械连接。 胶接接头的主要优点是： 1 ) 能得到平滑结构表面，连接件上不易产生应力集中和裂纹扩展，可用于不同 材料间的连接； 2 ) 大面积胶接成本低； 3 ) 胶接件能减轻结构重量( 比机械连接) ； 4 ) 加载后永久变形小。 4 0 ，武汉理工大学硕士学位论文 但是胶接连接也存在缺点：其强度分散较大，胶接质量不易无损探伤，随 环境影响强度会逐渐降低，并且大多数情况下不可拆卸。 机械连接的优点主要是高温高强度，连接强度分散性好；且易于拆卸，便于 检查质量。缺点主要是接头重量大，效率低，因开孔产生应力集中易引起连接 损坏。 对与1 1 m w 这种小型风力机叶片，由于其荷载不是很高，使用寿命偏长等 情况，决定采用胶接的方式进行叶片与轮毂的连接。 3 4 载荷分析 叶片结构设计还需要考虑制订荷载规范、荷载计算、极限强度及疲劳强度 验算，变形计算，固有频率计算和屈曲稳定计算。 1 ) 设计荷载工况及强度校核 作用在叶片上的荷载可简化为三种：气动力、离心力和重力。叶片可简化 为悬臂梁。由分布气动力、离心力、重力则可计算出分布弯矩、剪力、扭矩。 根据薄壁结构理论则可求出剖面正应力和剪应力。荷载工况要考虑正常设计工 况和正常外部条件，正常设计工况和极端外部条件，故障设计工况和允许的外 部条件，运输安装和维修设计工况等组合工况。风力机叶片设计寿命为1 0 。2 0 年，在整个使用期间，正常运行荷载工况可达1 0 8 次量级。起动停车、偏航及危 险工况交变次数很难估计，一般认为不超过1 0 6 次。对每种荷载工况要区分极限 荷载与疲劳荷载。对于极限荷载，至少要计算5 0 年一遇的极端风速，风速在 5 0 6 5 m s ，要求叶片在极限荷载下满足强度、变形、稳定条件。高风速时的飞车 次数也不会多，极端荷载可作为一次性的短期荷载处理。 强度校核有二项：疲劳强度及破坏强度f 2 别。疲劳寿命分析首先要了解构件 的载荷情况。风力机叶片所承受的载荷包括确定性和随机性载荷。与气动力有 关的载荷均应视为随机载荷，理想稳定状态几乎不存在，但由于风力机工况范 围较大，随机响应分析仍有局限性。可把叶片上的荷载简化为确定性的。确定 性载荷又可分为瞬时和周期性的。典型的瞬时荷载如叶片受阵风以及控制机构 产生的起动、停车、紧急刹车、变矩等，这些载荷出现的次数在整个叶片寿命 中占的比例不多，在叶片疲劳分析中可忽略。周期性载荷主要有风剪、塔影、 侧风和偏航率等引起的气动荷载和重力、陀螺力矩和惯性力等机械载荷。对于 4 1 武汉理t 大学硕十学位论文 上风向风力机和非大风速失速状态，塔影和侧风等气动载荷的影响可忽略。在 机械载荷中，陀螺力矩与转速、偏航率及叶片惯量成比例，大型风力机采用机 械偏航机构，偏航率较小，故陀螺力矩不大，疲劳分析时可忽略。 2 ) 疲劳强度分析 可采用有限和无限寿命方法。叶片的疲劳荷载较复杂，规范提供了简化疲 劳荷载谱。根据叶片材料的s n 曲线，应用p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤准则 进行叶片的疲劳强度计算。 对于有限寿命法，需要知道叶片的荷载谱、材料的s n 曲线，应用 p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤法则就可得结构的疲劳强度判据： d 。x 旦s1 厶n l 式中：璩应力水平为q 时工作循环数； m 相应的材料破坏循环数。 无限寿命法是较简便的疲劳分析方法。此方法要求结构的疲劳荷载小于材 料的疲劳极限。可采用条件疲劳极限概念，根据叶片使用寿命定义某一次数作 为交变基数，对应于该交变次数的材料疲劳强度定义为条件疲劳极限。 3 ) 屈曲分析 风力机叶片若采用空腔结构形式，在弯曲气动荷载作用下叶片局部受压区 域可能由于刚度下降而发生突然损坏称为屈曲失稳现象。叶片后缘空腔较宽， 易发生失稳。通过屈曲分析，得到每一剖面的i 瞄界压应力。叶片的设计计算可 采用经典的层合梁理论，叶片简化为悬臂梁，设计要求叶片的最大压应力低于 临界压应力。初步设计计算可满足工程要求，但优化设计应采用有限元方法。 有限元强大的建模和结构分析功能适于叶片的应力、变形、频率、屈曲、疲劳 及叶根强度的分析。有限元分析将在第四章中详细介绍。 4 2 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章风力机叶片有限元分析 关于叶片的分析在国外有很多学者进行过研究，但研究方法和目的各不相 同。有些学者主要从理论上对叶片的动态特性进行计算和分析，得出了叶片的 振动方程；另外一些学者就叶片的几种简化模型进行了讨论，并提出自己认为 比较合适的模型；有些人是以优化为目的对叶片的振动特性进行了有限元分析； 另外一些人则结合实验对叶片的某些部位进行了强度分析，这些分析都没有对 基于复合材料叶片有限元模型的建立、分析等给予详细介绍，下面本文就此进 行深入细致的研究和探讨。 4 1 叶片静力分析过程 由p r 0 e 与a n s y s 接 口模块直接导入模块 建立有限元模型，包括 单元类型，网格划分等 加载 求解并输出分析结果 利用h y p e r m e s h 进行 有限元分析前处理 将源程序导入a n s y s 中施加载荷 结果是否正确 、 问题得到解决 图4 1 静力分析流程图 4 3 n 进行改进处理 武汉理工大学硕士学位论文 按照先前的计划，是打算用a n s y s 直接进行有限元分析的，但是由于叶片 形状的不规则性，在a n s y s 中划分网格不够完美，因此想到了另外一种专业的 网格剖分软件h y p e r m e s h ，它是h y p e r w o r k 中的一个用于剖分网格的模块， 使用简单，可剖分二维、三维的网格【矧。其分析过程如图4 - 1 。 4 1 1 利用h y p e r m e s h 进行网格划分 1 ) h y p e r m e s h 软件介绍 h y p c r m e s h 是一个高效的有限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限 元和有限差分模型，与多种c a d 和c a e 软件有良好的接口并具有高效的网格 划分功能。完善的互动式2 d 和3 d 单元划分工具。用户在划分过程中能够对每 个面进行网格参数调节，如单元密度、单元偏置梯度、网格划分算法等【刈【3 。 h y p e r m c s h 还提供了多种三维单元生成方式用于构建高质量的四面体、六面体网 格和c f d 网格。 2 ) 坐标的设置 由于复合材料的各向异性，所以使用复合材料进行建模和分析时应特别注 意坐标和材料方向问题【3 2 1 ，这里需搞清以下3 个坐标系的概念： 结构坐标系：也就是通常所说的全局坐标系，用来确定几何元素的位置。 单元坐标系：每个单元的局部坐标系，一般用来描述一个单元相对于结构 坐标系的位置与方向。 材料坐标系：确定复合材料属性方向的坐标系。一般没有专门建立的材料 坐标系，而是参考其他坐标系。 在h y p e r m e s h 和a n s y s 中，材料坐标是由单元坐标唯一确定的，要确定 材料坐标，只要确定单元坐标就行了，当单元坐标确定后，材料坐标也随之确 定。根据图4 1 所示的几何模型，应当将z 坐标方向作为材料的1 方向，x 坐标 方向作为2 方向，y 坐标方向作为3 方向，并确定材料的常数，这样确定出的材 料坐标方向才与实际结构相一致。 3 ) 单元的选取 s 0 u d l 8 5 主要用于复合材料的三维实体模型的分析，是一种八节点的三维 实体单元，每个节点有三个自由度( u x ，u y ，u z ) ，此单元具有塑性、超弹性、蠕 武汉理1 人学硕士学位论文 变、应力刚度、人变形以及大应变的能力【”i 。s o l i d l 8 5 单元的结构示意图如 4 - 2 所示。结合叶片的受力特点，选川s o l i d l 8 5 单元建、，有限元j 维模型进行 分析。 ”隔。9 v n 啦m n o 。p 。 图4 2s o l i d l 8 5 单元示意图 4 ) 单元网格的划分 m 格的大小对计算精度和计算时问都有着重大影响，网格划分过密，计算 精度会很高，但同时计算时l 也随之增加：反之，嘲格过疏，计算精度会降低， 甚至和实际值相差很大i 州。因此【f 确选择网格的大小是非常关键的，考虑模型 的长度为5 5 0 0 r a m ，这里选择单元大小为2 0 r a m ，m 于自i j 网格划分对实体的 形状无限制，网格也不遵循任何模式适台丁复杂的面和体的网格划分，凼此 对于叶片这种不规则的实体按照自由网格划分方式进行网格划分，最后得到 1 3 4 3 2 个单元和1 8 6 8 5 个节点。划分完剐格的模型如图4 _ 3 、4 4 所示。 、嗲 图4 3 网格局部图 武汉理 人学跏! 上学位论文 图4 - 4 叶片划分【捌格后的效果图 412 材料属性设置 由于叶片是一个非均匀正交各向异性的结构，其内部各材料的弹性模量e 、 泊松比“和密度p 不致，建立模型有难度。理论上，复合材料的整体刚度不 是其组成材料剐度的简单代数和，即e ，一了，。但是工程上山于层间约束对刚 度的影响甚微( 2 ) ，可忽略层问约束。因此叶剖而特性计算仍按材料力学方 法来处理，即e t = y 置，利用当量模量日、当量泊松比和当量密度儿建立,ud 叶片模型【“i 。 对于下交各向异性复合材料其材料属性的设置小同于一般各向同性材料， 需要设置3 个主方向的材料常数。进入正交各向异性材料属性设置对话框， 根据对话框的耍求，将材料常数输进对话框完成材料常数的设置，即x 向设置为 材料2 方i 目的弹性常数，y 向设置为材料3 力向的弹性常数，z 向设置为材料1 方向的弹性常数，设置完成如图4 5 所示。 武汉理1 人学顺十学位论文 41 3 边界条件的确定 所谓边界条件即进行分析训算的初始条件，对静力分析来说，包括模型的 约束条件和载荷情况【3 7 i 3 8 j 。对模态分析来说只要进行模型的约束设置即可。 1 ) 模型的约束 叶片在实际运行中的固定方法为；用胶结方式将叫片叶根固定到发电机的 法兰盘上，相当丁叶片的其他部分完全约束在叶根上，凼此将罔4 - 1 所示的模型 叶根的所有自由度进行约束，从而比较真实的反应实际的约束情况。 2 ) 叶片载荷的情况 此处要计算的是埘轮在最大风速下旋转时叶片所受到的力，这些力包括风 力的轴向推力、旋转平面内使叶轮旋转的扭矩、旋转时受到的离心力以及重力， 这些力在叶片旋转过程中相互叠加，并且当叶片旋转至风轮下方即叶片蜂直 向下时，这些力的合力达到最大。 轴向推力的确定 轴向推力在风力机叶片理论 t 又叫风轮的阻力，在计算中有两种方式的载 荷施加方法可供选择，第一种星根据叶素理论得出的轴向推力训算公式： d f = 圭p q v 2 陆，式中p 为空气密度，在标准大气胝卜为12 9 培m 3 q 为所 选翼型的阻力系数，v 为风速，为叶轮半径。第二种为根据爿麦g e d s e r 风力 武汉理工大学硕十学位论文 发电机上实际应用并在许多其他著名风力发电机上得到验证的公式：p ；0 4 v z ， 其中p 为叶轮上单位面积上的压力，单位为胁2 ，y 为风速。比较两种载荷， 第一种方法基于叶素理论，由于叶素理论本身具有简化的成分，因此由此推出 的轴向推力公式也经过很大的简化，因此在实际应用中并不广泛。相反，由丹 麦g e d s e r 风力机上得到的公式经受住了实际应用的考验，在许多风力机上都得 到了理想的结果，并且其力的表达形式简单，在a n s y s 中操作比较简便。本文 在a n s y s 中对这两种加载方式进行了比较，发现第一种加载方式得到的各项应 力都低于第二种加载方式得到的各项应力，所以第二种方法得到的结果制造出 叶片相比第一种方法安全系数要高。基于以上两点，选择p 一0 4 v 2 作为轴向载 荷的施加公式，在最大风速2 0 m s 时，p 一1 6 0 n m 2 ，在a n s y s 中以面载的方 式将此载荷加到叶片的迎风面，也就是模型的下表面，完成轴向推力的施加。 扭矩的确定 根据所设计风力发电机的功率，通过公式：p a m w 可以得到在一定风速下 风力机所受到的扭矩，在此根据扭矩不变的原则，将扭矩m 转换成集中力加在 叶片上，在集中力的加载点的确定上，本文分别对将集中载荷加在叶尖、距叶 尖叶片长度1 4 处和叶片中部三个位置进行了试算，由于叶尖部分受力很小，将 集中载荷施加在距叶尖叶片长度1 4 处更加接近叶片的实际受力情况，所以本文 将扭矩以集中力的形式加在距叶尖叶片长度1 4 处，方向为z 轴正向。 离心力和重力的确定 根据风速和叶尖速比系数九一6 可以计算出风轮在最大风速下的转速万，在 a n s y s 中为叶片加上绕y 轴的旋转速度，从而在分析时为叶片施加上离心力的 作用。根据材料的密度，打开a n s y s 的重力开关，使重力方向朝向y 轴负向， 完成重力的施加。 以上各项载荷的数值如表4 1 所列。 表4 1 模型载荷 风速m s风对叶片的压强k p a风轮角速度r a d s风轮的扭矩n ，l 2 0o 1 62 1 8 25 0 4 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 4 1 4 强度校核准则 1 ) 单层板的基本强度 玻璃钢的强度问题是复杂的，因为它是两种不同材料的复合物。所以它的 强度性能与树脂( 或称母体) 和玻璃纤维( 或称增强料) 各自的强度性能和弹 性性能有关；与它们各自的含量有关；与纤维或织物的铺层方向有关；还有一 些与成型工艺有关的参数如界面粘结强度、空隙率、空隙分布、纤维问距等有 关；还与因树脂固化过程中热效应等引起的残余应力等有关。 风力机叶片的复合材料层是由方向角不同的单层叠合而成的层合壳体结 构，强度校核时必须分析各单层的应力，然后按选定的失效准则对各单层的强 度做出判断。单层的强度问题包括强度指标和失效准则。对于具有正交各向异 性的单层，由于强度具有方向性，所以即使是简单应力状态，其强度也将随方 向不同而变化；且拉伸失效的机理不同，一般也将有不同的强度，故至少要给 出材料主方向受简单应力状态下的强度；另外，单层的面内剪切强度也是独立 的，与简单应力状态下的强度无明确关系，为此，单层的基本强度指标有五个， 即纵向拉伸强度x 。、纵向压缩强度x 。、横向拉伸强度y ，横向压缩强度e 、面 内剪切强度s 。单层的强度指标一般由试验的方法测定。 2 ) 单层的失效准则 单层的失效准则是用以判断单层在偏轴向应力作用或平面应力状态下是否 失效的准则。由于复合材料破坏机理的复杂性，单层的失效准则至今没有统一 的看法，复合材料常用的失效准则有：最大应力准则、最大应变准则、蔡一希尔 ( t a s i - h i l l ) 准则、霍夫曼( h o f f m a u ) 准则和蔡一吴( t a s i w u ) 准则【3 9 l 。 最大应力准则 在这个理论中，各材料主方向应力必须小于各自方向的强度，否则即发生 破坏。对于拉伸应力，单层的最大应力准则的表达式为： 盯 x 1 1 一，