（机械工程专业论文）大型风力机叶片损伤与疲劳动态分析计算.pdf

学位论文的主要创新点 jirr r ri rlf i l1 1i 11 111l y 18 7 919 2 一、建立叶轮偏心激振下的叶片低温、冰冻损伤的动力学模型。通过 动力学分析，研究其损伤的动态特性。 二、建立叶片的流场动力学模型。对流场环境模型施加风况函数，进 行其风况下的叶片瞬态分析，得出叶片的动态响应特性。在流场环境 中模拟叶片低温、冰冻损伤及质量偏心损伤，分别对其响应信号进行 分析与处理，并识别出不同的故障损伤类型及其发生的位置。 摘要 建立了风力机叶片的有限元模型，分析计算了风力机叶片在重力、离心力、 风压力及其组合力作用下，叶片的应力应变，并对其进行了静力强度、刚度的校 核。 对大型风力机叶片进行了模态分析，求出了风力机叶片的固有频率和振型， 分析提取了风力机叶片的低阶振动特性。通过研究叶片在风轮偏心激励下的动应 力响应，找出了叶片的危险截面。通过模拟低温、结冰及质量偏心三种损伤故障， 得出叶片在其故障下的动态响应特性。 通过建立流场环境模型，施加风况函数，对叶片进行动态流场分析，进行其 风况下的叶片瞬态分析，得出叶片的动态响应特性。在流场环境中模拟三种损伤 故障，分别对其响应信号进行分析与处理，通过响应信号识别出不同的故障类型 及其故障发生的位置，达到对叶片进行故障诊断的目的。 对叶片进行铺层设计分析，分别研究不同轴向的铺层、轴向纤维比例和铺层 层数对叶片动态性能的影响，研究分析了铺层设计对损伤故障的影响，设计出改 善叶片动态特性的优化方案。 对风力机叶片进行了疲劳分析，分别计算出叶片正常状态下的使用寿命与出 现低温、结冰及质量偏心三种损伤时的使用寿命，分析出叶片出现损伤时对使用 寿命的影响。 关键词：风力机叶片；损伤模拟；流场分析；铺层设计；疲劳计算 a b s t r a c t a d y n a m i cm o d e lo fw i n dt u r b i n eb l a d ei se s t a b l i s h e d a n a l y s i st h es t r e s sa n d s t r a i nc o n d i t i o no fw i n dt u r b i n eb l a d e su n d e rt h eg r a v i t a t i o n a lf o r c e ，c e n t r i f u g a lf o r c e ， w i n dp r e s s u r ea n dg r o u pr e s u l t a n tf o r c e ，a n dc h e c kt h es t a t i cs t r e n g t ha n ds t i f f n e s so f w i n dt u r b i n eb l a d e s d ot h em o d a la n a l y s i so nt h el a r g e - s c a l ew i n dt u r b i n eb l a d e w ec a ng e tt h e f r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d eo ft h ew i n dt u r b i n eb l a d et oa n a l y s i st h el o wo r d e r v i b r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ew i n dt u r b i n eb l a d e t h r o u g ht h er e s e a r c ho fd y n a m i c s t r e s sr e s p o n s eo ft h eb l a d eu n d e rt h eo f fc e n t e re x c i t a t i o no fw i n dw h e e l ，w ec a nf i n d o u tt h ed a n g e r o u ss e c t i o no fb l a d e s i m u l a t i n gt h r e es p e c i e so fd a m a g ef a u l ta sl o w t e m p e r a t u r e ，i c i n g ，舔w e l la sm a s so f fc e n t e r , f i n do u tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f b l a d eu n d e rt h e s ef a u l t s af l o wf i e l de n v i r o n m e n tm o d e li se s t a b l i s h e d d ot h ef l o wf i e l da n a l y s i so ft h e b l a d e e x e r tt h ew i n d sf u n c t i o n t h e r e b yw ec a nd ot h et r a n s i e n ta n a l y s i su n d e rt h e w i n d sf u n c t i o nt og e tt h ed y n a m i cr e s p o n s ec u r v eo ft h eb l a d e s i m u l a t i n gt h r e e s p e c i e sd a m a g ef a u l t i nt h ef l o wf i e l de n v i r o n m e n t , a n a l y s i sa n dt r e a tw i t ht h e r e s p o n s es i g n a l sp a r t l y t h r o u g ht h er e s p o n s es i g n a l si d e n t i r yt h ef a u l tt y p e sa sw e l l a st h ef a u l tp o s i t i o n s ，t oo b t a i nt h ep u r p o s eo ff a u l td i a g n o s t i cf o rt h eb l a d e s l a y e rd e s i g ni sa n a l y s i s e do nt h eb l a d e s t u d yt h ei n f l u e n c eo fb l a d ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sc a u s e db yt h ea x i a lo ff i b r el a y s ，f i b r ep r o p o r t i o n st o g e t h e rw i t ht h e l a y e rn u m b e r s w o r ko u tt h eo p t i m i z a t i o ns c h e m ew h i c hc a ni m p r o v et h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co fb l a d e s a p p l yt h el a y e rd e s i g nt ot h eo p t i m i z eo fd a m a g ef a u l tt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fb l a d e s d ot h ef a t i g u ea n a l y s i so nt h ew i n dt u r b i n eb l a d e s e r v i c el i f e so ft h eb l a d e sa r e c a l c u l a t e du n d e rt h en o r m a ls t a t ea n dt h et h r e es p e c i e so fd a m a g ef a u l ta sl o w t e m p e r a t u r e ，i c i n g ，a sw e l la sm a s so f fc e n t e r a n a l y s i st h ei m p a c tt os e r v i c el i f ew h e n t h eb l a d eh a sf a u l t s k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n eb l a d e ；d a m a g es i m u l a t i o n ；f l o wf i e l da n a l y s i s ；l a y e r d e s i g n ；f a t i g u ec a l c u l a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 引言。1 1 2 大型风力机叶片损伤分析的国内外发展现状3 1 3 现代叶片结构动力学研究计算方法。4 1 4 主要研究内容5 第二章叶片有限元建模与静力分析7 2 1 叶片有限元建模7 2 1 1 叶片结构7 2 1 2 复合材料铺层的设定8 2 1 3 叶片的有限元建模1 0 2 2 叶片静力分析1 l 2 2 i 叶片在重力作用下的强度刚度校核1 l 2 2 2 叶片在离心力作用下的强度刚度校核。1 3 2 2 3 叶片在风压作用下的强度刚度校核1 3 2 2 4 叶片在组合静力作用下的强度刚度校核。1 5 2 3 本章小结1 6 第三章叶片及其损伤动态分析1 7 3 1 叶片模态分析1 7 3 2 叶片谐响应分析19 3 3 叶片损伤模拟与分析2 2 3 3 1 叶片低温的模拟与分析2 2 3 3 1 1 结构温度应力的计算2 2 3 3 1 2 温度降低时叶片动应力的变化2 3 3 3 2 叶片结冰的模拟与分析2 4 3 3 2 1 叶片结冰时叶片静应力、应变分布2 4 3 3 2 2 叶片结冰对叶片动应力的影响2 5 3 3 3 叶片质量偏心的模拟与分析2 7 3 3 3 1 不同位置相同质量偏心叶片动应力变化2 7 3 3 3 2 相同位置不同质量偏心叶片动应力变化2 8 3 4 本章小结2 8 第四章叶片动态流场分析2 9 4 1 叶片流场建模2 9 4 1 1 流场外形建模2 9 4 1 2 极端运行阵风函数计算3 0 4 2 叶片流场瞬态响应分析3 2 4 2 1 叶片流场瞬态响应3 2 4 2 2 频域分析。3 3 4 2 3 非线性分析3 4 4 2 4 叶片不同位置处的响应特性。3 5 4 3 叶片流场损伤分析3 8 4 - 3 1 叶片损伤分析方法3 8 4 3 2 叶片低温损伤分析3 8 4 - 3 3 叶片冰冻损伤分析。4 4 4 3 4 叶片质量偏心损伤分析。4 5 4 4 本章小结。4 6 第五章铺层设计对叶片损伤的影响4 7 5 1 铺层的一般设计原则4 7 5 2 叶片的铺层强度设计4 8 5 3 叶片的铺层设计与动态特性分析5 0 5 3 1 不同轴向的铺层对叶片动应力的影响。5 0 5 3 2 士4 5 0 纤维层所占比例的不同对叶片动应力的影响5 1 5 3 3 铺层层数的变化对叶片动应力的影响5 2 5 4 叶片铺层优化设计5 3 5 5 叶片铺层设计对各类损伤的影响5 3 5 5 1 f 氐温损伤5 3 5 5 2 冰冻损伤5 4 5 5 3 质量偏心损伤。5 5 5 6 本章小结5 5 第六章叶片疲劳分析。5 7 6 1 叶片疲劳性能的有限元分析方法5 7 6 1 1s n 曲线的设定5 7 6 1 2 叶片载荷5 9 6 1 3 有限元疲劳参数的设定。5 9 6 2 叶片各种状态下的疲劳寿命6 0 6 2 1 重力作用下的疲劳寿命。6 0 6 2 2 组合力作用下的疲劳寿命6 l 6 2 3 各类损伤的疲劳寿命。6 3 6 3 本章小结6 3 第七章结论。6 5 参考文献。6 6 发表论文和参加科研情况说明7 0 致谢7 l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁环保的可再生能源【l j 。风能发电与太 阳能、地热、海洋能、氢能、可燃冰等新能源发电相比，技术纯熟，将成为2 l 世纪最主要的绿色动力之一。可以预见，风电产品的开发前景光明，市场广阔。 目前，风力发电机组呈现大型化趋势，己逐渐从陆地向海上发展，2 5 m w 的风 力发电机组既可以应用于陆地也可以应用于海上，具有很高的应用性与研究价 值，因此，选择对该机型进行研究。 风力机的叶片是接受风能的最主要部件，叶片设计是风力机设计的关键。要 求叶片重量轻、结构强度高、疲劳强度高，因此，风力机叶片的复合材料设计就 显得尤为重要。复合材料不仅重量轻、强度高，而且通过不同的铺层方式可以达 到不同的动态效果，充分满足强度刚度以及不同环境下的设计要求。 对于不同的地域和气候特征，叶片的设计要求也不尽相同。如我国三北地区 的低温、高风沙，沿海地区的高温湿、多台风，风场低风速现象。这种区域化的 特征要求开展抗台风叶片、低风速叶片、仿生叶片和低噪音叶片等系列区域化 技术的研究。伴随着区域化叶片也会产生不同形式的破坏如图1 1 所示，故此对 叶片在不同环境下的损伤研究尤为重要。 争： 图1 1 叶片在不同环境下的破坏形式 天津工业大学硕士学位论文 我国风力资源丰富的地区在三北地区，这些地区风力大，冬天气温低，按常 温条件设计的风力机零部件不能保证风力机安全可靠运行，因此必须对运行在低 温地区的风力机的问题进行研究，特别设计零部件。 图1 2 低温对风轮叶片的影响 风力机叶片在实际运行中常常由于外界温度过低而致使排气孔堵塞，水汽滞 留在叶片中，从而导致结冰胀裂，如图1 2 所示。而且温度变化引起的温度变形 和材料的收缩，也会使叶片发生裂缝，从而影响叶片的使用寿命1 2 1 。所以在设计 中我们必须进行低温对叶片动态特性影响的研究。在国内，积冰研究起步较晚， 目前还没有专门研究飞机积冰的大型冰风洞实验，研究还限于对水滴撞击特性的 分析和二维外形上的积冰计算，冰外形计算的准确度需进一步提高，二维积冰的 计算还没得到开展，一些单位在研究中只有购买国外软件进行积冰外形计算【3 1 。 而风力机叶片的积冰在国内目前还没有研究。 基于上述因素，针对各地区域化特性，对叶片在不同环境下产生的损伤进行 模拟与分析并得到这些损伤在各种状态下的动态特性将变得很有意义。通过对叶 片进行铺层设计找到铺设方式的不同对叶片动态特性的影响，从而寻求不同环境 下改善叶片性能的方法。叶片的使用寿命为2 0 年，叶片发生损伤后对叶片的使 用寿命是否有较大影响，也需进一步研究。这些研究结果可以为以后的区域化产 品研发提供理论基础，同时，故障的分析计算也可以作为故障数据库在对大型风 力机叶片进行故障诊断时加以利用。 第一章绪论 1 2 大型风力机叶片损伤分析的国内外发展现状 在过去二十几年里，国内外许多学者对结构的损伤进行了研究。利用结构振 动响应和其动态特性参数进行结构损伤识别成为近几十年来国内外研究的热点。 主要有利用结构固有频率4 、固有振型慨7 1 、曲率模态8 ，9 1 和应变模态1o ，1 1 1 等进行 分析。但一般来说，结构的固有频率反映了结构的全局信息，对损伤位置及损伤 程度达不到识别的目的，而且固有频率对结构损伤也不是特别敏感，固有振型在 实际中较难测量，而且也不精确，曲率模态不能直接测量，需要通过位移模态间 接得到，而应变模态可以直接通过应变片得到，但结构的应力应变只在结构损 伤附近有突变，所以应变片要贴在结构损伤附近才能捕捉到应变的突变。由于这 些方法的限制因素，在实际中这些方法很难得到推广运用。 近年来，国外学者在利用模态参数进行结构损伤和裂纹识别方面开展了大量 的研究工作，提出了各种各样的识别方法。从利用的信息数据来看，有的采用振 型对悬臂梁的裂纹位置和深度进行识别【l2 1 ，有的用传递函数对结构损伤位置进行 识别【1 3 】，而文献【1 4 】贝u 利用曲率模态来识别悬臂梁和简支梁的损伤，文献【1 5 】用频 率响应函数来进行损伤位置识别，其优点是只需要很少的传感器。文献【l6 j 则将相 对加速度的傅立叶谱作为神经网络的输入数据，利用神经网络的学习来识别结构 的损伤。而对静态测试数据( 作用力和位移) 进行分析也可得到结构单元刚度的变 化，从而可用于损伤评估，同时确定结构的承载能力【l7 1 。文献【l 剐利用静挠度和 振动模态并结合输出误差方法来识别结构损伤。还有利用应变模态、动柔度、模 态应变能等来进行结构损伤识别。然而，从查阅的文献来看，用得最多的模态参 数是固有频率或者是固有频率与振型的组合。 国内对结构损伤( 裂纹) 识别问题也开展了大量的研究工作，从采用的数据来 看可分为静态测试数据和动态测试数据，静态测试数据是指结构在静载荷作用下 的响应如位移、应变等参数，动态测试数据则是结构的固有频率、振型等模态参 数。而识别的方法则各种各样。比较而言，目前，国内在利用静态测试数据进行 结构损伤识别方面开展的工作较少，而利用动态测试数据或将静态测试数据与动 态测试数据结合起来进行损伤识别的则较多。王德n t l 9 】提出用各阶固有频率的相 对变化量的折线图来判断结构中的裂缝位置，首先计算出不同部位的裂缝引起结 构各阶同有频率的相对变化量，并作出折线图，然后对实际结构进行测量，用实 际的折线图与理论计算的折线图进行比较，从而判断出裂缝的部位。李国强等 2 0 1 总结出了框架结构损伤识别的两步法，用于建筑结构的损伤识别。2 0 世纪9 0 年 代以来，不少学者开始利用神经网络和遗传算法进行结构损伤识别研究。神经网 络建立了输入与输出之间的非线性映射关系，但选择什么样的输入参数才能较好 天津工业大学硕士学位论文 地识别损伤，目前还没有权威的说法。许多文献采用固有频率( 或相对改变量) 作为网络的输入参数，有的采用位移模态、曲率模态、应变模态等作为输入参数， 有的则采用位移、加速度时程响应数据，还有的采用传递函数、频率响应函数( 有 位移、应变频响函数等) 作为输入参数，也有采用固有频率和少量点的模态分量 组合作参数1 2 。 目前，国内外结构损伤识别法被广泛应用于航空、航天、精密机床等领域， 但是对大型风力机叶片损伤的定性及定量识别还尚属少见。对叶片损伤的模拟也 仅限于刚度缺陷，国外虽有少最的积冰分析，但都是针对飞机翼型的分析，对风 力机叶片的分析还没有进行研究。因此文中的低温损伤与冰冻损伤的模拟与分析 显得非常有意义。 1 3 现代叶片结构动力学研究计算方法 叶片主要受气动力、重力和离心力【2 2 】。这三种力对叶片形成拉、压、弯、扭 载荷。计算分析主要是获取应力及其分布、结构变形( 最大挠度) 和疲劳寿命，其 中包括屈曲分析、连接计算、频率、模态和动响应分析等。校核结构的强度、刚 度，给出疲劳寿命，保证结构的安全、可靠和有效地使用。叶片为复合材料结构， 计算分析中要用到复合材料层压板理论、复合材料连接计算、稳定性计算方法和 理论、有限元建模和计算分析方法、专门的计算分析程序和软件等。进行疲劳寿 命分析时要事先建立疲劳载荷谱。 对复合材料结构进行有限元计算分析，当前比较好的软件是a n s y s 程序。 该程序提供一种特殊的复合材料单元，即层合板单元，用以模拟各种复合材料结 构，铺层可达2 5 0 层以上。对每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度等， 然后通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合板结构；也可通过直接输 入材料本构矩阵来定义复合材料性质。对于板壳和梁单元，利用截面形状工具可 定义矩形、i 字型、槽型等各种形式，还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截 面。程序中的壳单元有s h e l l 9 1 、s h e l l 9 9 、s h e l l l 8 8 、s h e l l l 9 1 等，可用 于复合材料层合板结构分析。这些层合板单元支持各种静强度、非线性、稳定 性( 屈曲) 、接触、模态、动力响应、疲劳断裂等结构分析。程序中预定义了三种 复合材料失效准则，分别为最大应力准则分别为( m a x im u ms t r e s st h e o r y ) 、最大 应变准贝j j ( m a x im u ms t r a i nt h e o r y ) 及蔡一吴准贝j j ( t s a i 2w ut h e o r y ) ，另外也可自定 义六种失效准则，以评价复合材料结构的安全性。总之，对于风电叶片复合材料 结构计算分析，完全可以用a n s y s 程序来实现。 除计算分析外叶片还要进行必要的试验验证，应包括典型结构件试验以及全 尺寸试验。国际公认的i e c 8 8 1 0 2 c d 设计标准，要求做静力和疲劳试验，丹麦 第。章绪论 国家标准也要求既做静力又做疲劳试验，但德国有的公司认为只做静力就可以 了。静力试验主要验证叶片承受设计载荷的能力和应力应变分布，有的直到破坏 以验证破坏位置、破坏模式和安全余度。疲劳试验主要验证疲劳寿命和疲劳薄弱 环节。 随叶片越来越大，全尺寸试验经费越来越高，此时可能强调详细分析、缩比 试验，有些只做静力不做疲劳，试验也不定做到破坏，以节省经费。 1 4 主要研究内容 为了研究大型风力机叶片损伤、疲劳动态特性，对风力机叶片进行了动力学 模型简化及计算分析。主要工作如下： ( 1 ) 对复杂风力机叶片进行有限元建模。进行静力学分析，验证其合理性。 ( 2 ) 固有特性分析。求解风力机叶片的频率和振型，分析风力机叶片振动 特性。研究叶片在风轮偏心激励下的动应力响应，并找出叶片的危险截面。 ( 3 ) 损伤模拟与分析。模拟低温、结冰及质最偏心三种损伤故障，研究其 动态特性。 ( 4 ) 动态流场分析。建立流场环境模型，施加风况函数，进行风况下的叶 片瞬态分析，得出叶片的动态响应特性。在流场环境中模拟上述三种损伤故障， 分别对其响应信号进行分析与处理，通过响应信号识别出不同的故障类型及故障 发生的位置。 ( 5 ) 铺层设计。对于上面三种不同的故障类型进行铺层设计。考察铺层设 计对各类损伤的影响。 ( 6 ) 疲劳分析。计算叶片在重力作用下的疲劳寿命，叶片在正常状态下受 重力、风轮偏心激励及风场额定风速三者组合作用下的疲劳寿命和叶片在出现前 文所述低温、结冰及质量偏心三种损伤时的疲劳寿命，考察其是否满足设计要求。 天津工业大学硕士学位论文 第二章叶片有限元建模与静力分析 第二章叶片有限元建模与静力分析 2 1 叶片有限元建模 2 1 1 叶片结构 风力机的翼型是其叶片在展长方向某一位置剖而的轮廓线2 3 1 。翼型一般是瘦 长形的，在其前部较厚且有小圆弧状前缘，而其后部较薄且有一较尖的后缘。翼 型上表面的前部曲率较大，后部曲率较小。通常，翼型外形由下列几何参数确定 【2 4 - 2 6 】 o ( 1 ) 翼型的中弧线 翼型中线或中弧线是连结前后缘的一条曲线，沿垂直于这曲线法线方向的 上下表面到中线的距离y 。应该相等( 见图2 一1 ) 。 图2 - l 翼型的几何特性 ( 2 ) 翼型的厚度 上下表面的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度。 ( 3 ) 翼弦 连结翼型前后缘的直线称为翼弦，翼弦的长度称为弦长。如果中线是直线， 则翼型是上下对称的，这时中线与翼弦重合；如果中线不是直线，则翼型是不对 称的，称为有弯度的翼型( 夕，不等于常数) 。 ( 4 ) 翼型的弯度 中线到翼弦的最大距离称为翼型的最大弯度，简称弯度。弯度f 、最大弯度 位置z ，、厚度c 和最大厚度位置x 。通常用弦长b 的百分数表示成相对量( 相对弯 度- - f b ，弯度的相对位置= x ，b ，翼型相对厚度= c b ，最人厚度的相对位置= 天津工业大学硕士学位论文 x b ) 。 在实际设计过程中，为增加叶片的刚度与强度，须在叶片中部加两条加强筋， 在叶片尾部也采用局部加厚的设计。轮毂与叶片的连接部分则采用法兰盘进行连 接。图2 2 和2 3 即为叶片翼型的剖面以及叶根形式。 图2 - 2 叶片剖面 2 1 2 复合材料铺层的设定 图2 - 3 叶根形式 复合材料最重要的特征就是其叠层结构，因此，采用s h e l l 9 9 层合单元进 行铺层建模。由于每层材料都有可能由不同的正交各向异性材料构成，并且其主 方向也可能各不相同，对于叠层复合材料，纤维的方向决定了层的主方向。有两 种方法可用来定义材料层的配置： 方法：通过定义各层材料的性质； 方法：通过定义表示宏观力、力矩与宏观应变、曲率之问相互关系的本构 矩阵( 只适合于s o l d 4 6 和s h e l l 9 9 ) 。 采用方法通过定义各层材料的性质来定义材料层。由下到上一层一层定义 材料层的配置。底层为第一层，后续的层沿单元坐标系的z 轴正方向自底向上 叠加。该叠层结构是对称结构，故此只定义一半的材料层即可。 由于翼型后缘呈尖形，整个翼面厚度在后缘处呈渐变的形式，为了建立连续 的层，在这里采用中断层的方式，即把这些中断的层的厚度设置为零，以达到变 厚度的目的。图2 4 即为中断层设置方法的示意图。 第二章叶片有限元建模与静力分析 图2 1 4 中断层不意图 在定义每一层材料时，需定义如下三种参数：材料性质( 通过材料参考号m a t 来定义) 、层的定向角( t h e t a ) 、层的厚度( t k ) 。 材料性质的定义：叶片翼面的材料为玻璃钢，该材料为线性材料，用m p 命令定义其材料特性。其各层的线性材料特性为正交异性，具体参数为：展向模 量4 2 6 1 0 9 p a ，径向模量1 6 5 1 0 9 p a ，剪切模量5 5 1 0 9 p a ，泊松比0 2 2 ，密度 为1 9 5 0 k g m 3 。在后续还要模拟叶片的低温损伤特性，需要设定材料的膨胀系数 为：径向膨胀系数1 2 e 5 。 层的定向角的定义：定向角为层坐标系相对于单元坐标系的角度，即为两 个坐标系的x 轴之间的夹角( 单位为“度 ) 。缺省情况是层坐标系与单元坐标 系平行。通过改变每一层的夹角控制每一层的方向，设定叶片定向角的铺设顺序 为9 0 麓5 。幻of 4 5 0 o 层的厚度的定义：由于有变厚度问题，四个角节点处的厚度都需输入，中 断层的厚度为零。设定叶片的总厚度为0 0 2 2 m ，共设8 0 层，则每层厚度为 0 0 0 0 2 7 5 m ，加强筋的总厚度为0 0 1 5 m ，共设2 0 层，则每层厚度为0 0 0 0 7 5 m 。 积叠顺序显示：用l a y p l o t 命令以卡片的形式显示层的积叠顺序，如图2 5 所示。各层可以用不同的颜色和截面线显示，截面线的方向表示层的方向角，颜 色表示层的材料号。还可以指定要显示层的范围，图即为第1 层到第4 层的铺层 顺序。 1 h e t a 9 0 图2 - 5 第1 层到第4 层的顺序 瞄一 蹄一 湍r 天津工业大学硕士学位论文 2 1 3 叶片的有限元建模 早期的叶轮叶片是在直升机桨叶翼型的基础上设计和开发的【2 7 1 。传统风力机 的叶片多采用n a c a 系列的翼型。但由于应用环境和应用目的不同，机翼翼型 的叶片并不能高效地利用风能。发达国家从2 0 世纪8 0 年代中期开始研究风力机 专用的新翼型，并发展了各自的翼型系列，有美国的n r e l 系列、s e r 系列翼 型、丹麦的r i s o e a 系列翼型和瑞典的f f a w 系列翼型等【2 8 】。 采用传统翼型n a c a 4 4 1 2 应用复合材料建立叶片有限元模型，如图2 - 6 所示， 该模型总长4 3 1 m ，翼型上最大弦长2 9 m ，根部为直径2 2 6 m 的圆形，质量为 1 0 2 t 。 图2 - 6 叶片有限元模型 为了加强叶片稳定性，在叶片中部添加两个厚为1 5 c m 的加强筋，叶根部也 进行了加厚，如图2 7 所示。 图2 7 加强筋 ( a ) 叶梢渐变 第二章叶片有限元建模与静力分析 ( b ) 展向厚度渐变 图2 8 叶片的改进 叶片的建模工作主要在文献2 9 1 的模型下进行改进，应用铺层设计把叶梢、叶 根、展向等厚度改成渐变式，这样不仅更加接近实体模型，在强度、刚度上也有 所加强，如图2 8 所示。 2 2 叶片静力分析 在叶片的静力分析中分别对叶片施加重力、离心力和风压载荷，校核叶片在 这三种载荷下是否满足强度要求，最后校核三种载荷全部施加的情况下叶片的强 度。 玻璃钢是一种近似脆性材料。根据参考文献【3 0 】玻璃钢叶片的最大弯曲应变低 于0 3 ，丹麦r i s o 实验室建议压缩应变应低于0 2 5 。考虑材料性能的离散性， 载荷计算的误差，拉伸许用应变在0 3 左右【3 1 1 。叶片材料许用应力【c r = 1 7 0 m p a 。 2 2 1 叶片在重力作用下的强度刚度校核 ( 1 ) 有限元分析 在叶根部施加位移同定的约束，叶根部为固定端，在x 轴施加大小为9 8 的 向上的重力加速度，得到如图2 - 9 的结果。从图中可以看出 图2 - 9z 轴应力图 应力最大值叱= 2 0 9 m p a ，发生在叶根处。 ( 2 ) 理论简化计算分析 将叶片简化为一根等截面悬臂梁，受力分析图如图2 1 0 所示，a 点为叶根点， b 点为叶尖点，c 点为叶片重心位置，p 为重力。经计算得重心在距固定端1 8 6 6 m 天津工业大学硕士学位论文 处，即钟= 1 8 6 6 m 。 p 图2 1 0 叶片在重力作用下的受力分析 由图分析得： 艺= p = m g = 1 0 2 0 0 x 9 8 = 9 9 9 6 0 n ；兄= 0 ； 最大弯矩：心= p x a c = 1 8 6 5 2 5 3 6 n 聊 则可以求出叶片的弯矩图如图2 1 l 所示。 a c b 图2 - 11 叶片在重力作用下的弯矩图 由图2 - 1 l 可知，叶片的危险截面在叶根处，对叶根处进行应力校核。由梁 横截面上的正应力公式： 知 仃= 二 iz 式( 2 - 1 ) 中m 为截面的弯矩，y 为欲求应力点至中性轴的距离， 性轴的惯矩。叶片根部截面为圆环截面为： i t = 丢( d 4 - d 4 ) 可得到叶片根部的最大正应力 仃：掣：婴：塑：鱼：2 1 2 m p a 2仃= 二= = 2 ，：彬x 2 2 6 3 ( 1 0 9 8 4 ) ( 3 ) 计算结果及讨论 ( 2 1 ) 厶为截面对中 ( 2 2 ) 第_ 章叶片有限元建模与静力分析 理论计算结果口一= 2 1 2 m p a ；有限元计算结果叱= 2 0 9 m p a ； 误差：2 0 9 - 2 1 2 ：0 0 1 4 2 1 2 通过误差分析可知，有限元的计算结果具有较高的准确度，说明该模型建模合理。 2 2 2 叶片在离心力作用下的强度刚度校核 由风力发电机组的额定转速1 8 1 r m i n ，得出风轮绕中心轴转动的角速度0 ： 0 = 6 2 8 * 1 8 1 6 0 = 1 8 9 4 4 9r a d s 加载离心力：创建一个包含风轮所有单元的组件( c o m p o n e n t ) ，通过在所建 的组件上加载角速度0 的方式来加载离心力。 如图2 1 2 所示，风力发电机组在离心力作用下，叶片根部应力最大，最大 应力值为1 2 1 m p a ；最大应变也位于叶片根部，为o 0 2 6 。作为静力考虑的离 心力对风力发电机组的影响较小。 x f ( a ) 叶片应力分布 ( b ) 叶片应变分布 图2 1 2 风轮在离心力作用下应力应变分布 2 2 3 叶片在风压作用下的强度刚度校核 风场的风速变化是随机的。在0 2 5 s 内风速可以由2 7 m s 突变到3 7 m s ，这些 阵风为风力机叶片提供了变化的气动外载。风速的恒定是一个相对的概念，即使 就所谓恒定的风速来看，也是近地面风速低，空中较高，这是由于地面阻力造成 的【3 2 1 。随高度变化的风速可由式【3 3 1 ( 2 - 3 ) 得出： v = ( 。) ” ( 2 3 ) 其中，为所求高度的风速，为参照风速，日为求算高度，风为参照高度。指 数刀随大气层稳定度变化，这里刀取0 2 。 风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出的 风压关系，风的动压为 天津工业大学硕士学位论文 w。=05xyo，2(2-4) 其中w p 为风压( k n m 2 ) ，y o 为空气密度( k g m 3 ) ，1 ，为风速( 1 1 1 s ) 。 由于空气密度和重度y 的关系为y = y ox g ，n i i 埔r o = y g 。在式( 2 - 4 ) q h 使用这一关系，得到 w 。= o 5 y ，2 g ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 为标准风压公式。在标准状态下( 气压为o 1 0 1 3 m p a ，温度为1 5 0 c ) ， 空气重度y = 0 0 1 2 2 5k n m 3 。重力加速度g = 9 8 m s 2 ，得到 w p = ，2 1 6 0 0 ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 为用风速估计风压的通用公式。把( 2 3 ) 代入( 2 6 ) ，其中，凰取轮 毂高度7 5 m ，砌取轮毂中心风速，可得 w 。= 1 ，2 1 6 0 0 = h o 2 x v o 3 7 9 4 ( 2 7 ) 当v 0 确定时，即可通过式( 2 7 ) 求得风压力随高度变化的分布情况。 加载风压：为了施加叶片表面的风压力需要先在叶片表面覆盖一层表面效应 单元s u r f l 5 3 或s u r f l 5 4 ，然后在表面效应单元上施加风压力。通过创建宏命 令完成式( 2 7 ) 所示的风压力函数的编辑，调用宏命令把风压函数加载到叶片 表面。加载完风压力函数的效果图如图2 1 3 所示。 图2 1 3 叶片上施加随高度变化的风压力 调整风速，d ( 轮毂中心风速) 的大小施加不同风速下的风压力。风力机叶片 在风压力作用下的静力分析分三种工况进行计算： ( 1 ) 额定风速为1 3 m s ； ( 2 ) 停机风速为2 5 m s ； ( 3 ) 抗最大风速为5 0 m s 。 分别加载不同风速下随高度变化的风压力，计算各工况下叶片最大应力应变 值。计算结果见表2 - 1 ，图2 1 4 所示。 由图2 1 4 可知，在风压力作用下叶片向后弯曲，其中叶片最大弦长处应力 应变最大。由表2 1 可知，随着风速的增加，应力应变的变化成倍增长，在极限 情况下风力机叶片的最大应力和应变都在许用范围之内。 第二章叶片有限元建模与静力分析 表2 1 不同风压力作用下的分析结果 ( a ) 叶片应力分布 ( b ) 叶片应变分布 图2 1 4 额定风速下叶片在风压作用下的应力应变分布 2 2 4 叶片在组合静力作用下的强度刚度校核 将重力、离心力、风压力一同加载到风力机叶片上，分两种工况进行计算： ( 1 ) 额定工况 ( 2 ) 极限工况( 停机飓风袭击时) 各工况受力情况与计算结果见表2 2 ，图2 - 15 所示。 表2 - 2 组合静力作用下的分析结果 ( a ) 叶片应力分布 天津工业大学硕士学位论文 r 匿透受鋈豳阂豳豳圈l i _ _ r ( b ) 叶片应变分布 图2 1 5 额定工况下的计算结果 由图2 1 5 可见，组合静力作用下，风力机叶片的应力应变位置均向叶根方 向移动，最大应力应变也都发生在叶根处。因此，静力作用下叶片的危险截面在 叶根处。由表2 2 可知，风力机叶片的强度和刚度在许用范围内，满足强度刚度 条件。 2 3 本章小结 1 建立了风力机叶片的有限元模型。该模型应用复合材料铺层设计不仅更 加接近实体模型，在强度、刚度上也有所加强。通过比较重力作用下叶片的有限 元计算结果与理论计算结果，验证了有限元模型的合理性。 2 分析了风力机叶片在重力、离心力、风压力及组合静力作用下，叶片的 应力应变情况，并分别对其强度、刚度进行校核，结果表明，叶片的强度、刚度 均满足条件。 第三章叶片及其损伤动态分析 第三章叶片及其损伤动态分析 风力机叶片日益向大型化、柔性化方向发展，要使叶片安全可靠地工作，就 需要其具有良好的动态特性。模态分析用于确定设计中的结构或部件的振动特性 ( 固有频率和振型) 。结构的振动特性决定了结构在各种动力载荷激振下的动态 响应及动强度、刚度。因此，对叶片振动特性的研究变得十分必要。 3 1 叶片模态分析 模态分析用于确定设计结构或部件的振动特性( 固有频率和振型) ，即结构 的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以 作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析， 其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必 需的前期分析过程。 叶片是风力发电机中受力最复杂的部件，它不停地旋转，各种激振力几乎都 是通过叶片传递出去的【州。叶片是个展向长、弦向短的细长体，柔性较好，是 一个容易发生振动的弹性体，各种机械振动首先发生在叶片上。叶片的振动主要 有三种振动形式：挥舞，是叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动；摆振，是 叶片在旋转平面内的弯曲振动：扭振，是绕叶片变距轴的扭转振动。 风力机叶片工作时，绕转轴以一定角速度大范围转动，离心惯性力将影响叶 片的变形，即其绕转轴的转动与叶片变形之间相互耦合将导致叶片刚度的增大， 出现动力刚化。叶片的动力刚化对叶片刚度和振动频率将产生影响。下面将计算 在额定转速( 1 8 1r m i n ) 状态下叶片的固有频率和振型。 采用第二章建立的叶片模型，共2 7 2 个单元，8 4 6 个节点。位移约束条件： 约束叶片根部所有节点的全部自由度，作悬臂梁处理。 额定转速下的叶片模态分析属于有预应力的模态分析，分析时应注意的两点 为： ( 1 ) 在模态分析之前，需获取打开预应力效应( p s t r e s ，o n ) 的静力分析 解( 施加载荷为角速度) 。 ( 2 ) 重新进入求解器并获取模态分析解时，需打开预应力效应选项 ( p s t r e s o n ) 。 通过计算，得出叶片的前十阶频率和振型，见表3 - 1 和图3 - l 所示。 天津工业大学硕士学位论文 表3 1 叶片前十阶频率 阶 固有频率 h z 阶 固有频率 h z l l0 7 3 9 669 2 4 3 5 21 4 0 8 471 2 1 8 4 32 3 6 7 781 2 9 3 8 4 4 8 6 2 491 3 7 5 2 5 5 2 7 8 0 1 0 1 5 4