复合材料风力机叶片分布力函数加载方法研究

复合材料风力机叶片分布力函数加载方法研究

0载荷计算及仿真建模叶片是风发电系统的重要部件。在受风影响的有限时间内，需要尽可能多地利用可靠有效的设备在有限的时间内最大限度地获得风。各国风力发电系统的运行实践表明,叶片是最易出现故障的部位。叶片结构发生破坏有材料强度不够和结构屈曲两种基本形式。风力机叶片所受的载荷十分复杂,有超过1000种工况,需从中筛选出叶片结构受载最严重的极限工况进行叶片结构校核。风力机载荷计算软件Bladed所给载荷为单点力和力矩的三分量,由于力矩是由力引起的,简单将所给力和力矩同时施加于叶片模型会造成重复加载。传统的叶片模型加载方式为多点约束的MPC加载,而风力机叶片所受真实载荷为分布载荷,因此本文给出一种新型的分布力函数加载方法,与通过多点约束的加载方式作用于节点上的叶片结构特性相比较,采用分布力函数表达式加载能真实模拟叶片的受力特性,为叶片结构设计和结构校核提供了一种新的加载方法。本文假设叶片根部采用预埋金属螺杆与轮毂连接。这样的叶片根部连接被认为是刚性的,根部所在节点的6个自由度被固定,整个叶片简化为悬臂梁模型。1u3000叶根坐标系和剪力大型风力机叶片受力复杂,承受着分布的气动载荷、惯性载荷、弹性载荷以及发电机的集中载荷,这些载荷使叶片发生弯曲和扭转。在外载作用下可将叶片的受力等效为叶片截面坐标系下的载荷:弯矩MXS和MYS,扭矩MZS,剪力FXS和FYS以及轴向力FZS,如图1所示。作用在叶片上的集中载荷由风力机计算软件Bladed得到,这些集中载荷在本文中将转化为分布载荷。Bladed输出的叶根坐标系载荷受叶片变桨角的影响,不同工况或同一工况下的不同时刻,风力机叶片的桨距角不同。因此,Bladed直接输出的叶根坐标系下的载荷随时间变化。由于叶片各截面的扭转角θ不同,因此叶片挥舞-摆振坐标系下的载荷受叶片各截面扭转角的影响。本文将Bladed输出的挥舞-摆振坐标系下的剪力和弯矩转化为叶根坐标系下的剪力和弯矩:式中,FxB、FyB和MxB、MyB———叶片叶根坐标系下的剪力和弯矩;Ff、Fe和Mf、Me———叶片挥舞摆振坐标下的剪力和弯矩。2风力机叶片加载方式2.1多点约束下的载荷本文以某款800kW风力机叶片为例,根据最大挥舞弯矩对应的极限载荷,按照力等效的原则将叶根坐标系下的集中力转化为叶片各截面多点约束的集中力载荷ΔF'xB、ΔF'yB、ΔF'zB加载在有限元模型上。Bladed输出扭矩MzB根据俯仰力矩系数计算得到,所以应将MzB转化为各截面的扭矩ΛM'zB、加载在有限元模型上。根据MPC加载的结果提取叶根的力和力矩,与Bladed输出的叶根力和力矩相比较,二者误差较小,如表1所示。2.2叶片的分布力加载叶片的气动载荷是以分布力的形式作用在叶片表面上的,为了更好地模拟叶片的真实受力,本文给出一种分布力加载的方法。同样根据最大挥舞弯矩对应的极限载荷,按照力等效的方法转化为分布力载荷。2.2.1分布力函数拟合本文将叶根坐标系下剪力转化为分布力,应用三次函数分别拟合叶片各截面的剪力FxB、FyB,拟合函数的边界条件为叶尖位置的剪力为零。拟合函数的表达式为:对拟合函数表达式求导,得到x方向和y方向的分布力函数f(x)、f(y)。为检验分布力的正确性,根据分布力计算叶根坐标系下叶片各截面的剪力和弯矩。按公式(3)沿叶片展向进行积分,得到分布力计算的叶片截面剪力和弯矩,按分布力求出的剪力和弯矩与Bladed输出的剪力和弯矩相比趋势一致,且误差较小,如图2、图3所示。2.2.2叶根充放电约束与加载对x、y方向的剪力Fx、Fy沿展向进行分布力转化后,还需对其进行弦向分布处理才能作用于叶片曲面上。弦向应该根据翼型压力分布来确定分布力函数。通过CFD计算软件Fluent计算翼型压力分布(图4),同时可得到翼型表面压力分布数值和压力分布函数。根据翼型CFD计算结果可看出翼型弦向的压力分布近似为二次函数的分布(如图5所示)。本文根据翼型压力分布函数变化趋势,假设弦向分布力函数q(t)为二次函数,此二次函数满足以下3个条件:q(t)沿弦向积分合力与翼型剪力平衡;q(t)沿弦向积分取弯矩与翼型剪力到前缘的弯矩平衡;q(t)沿弦向分布的边界条件为尾缘为0。通过计算可得翼型弦向分布力函数。本文根据叶片展向和弦向分布力函数表达式,应用有限元软件MSC.Nastran,对叶片进行约束与加载。将叶片展向的分布力函数f(x)、f(y)和沿弦向的分布力函数q(t),以场加载的形式作用在整个叶片蒙皮单元上。将叶片离心力ΔFzB和扭矩ΔMzB以totalload形式均匀加载在叶片各截面节点上。根据分布力加载的结果,提取叶片叶根的力和力矩,同时与Bladed输出的叶根力和力矩比较,误差结果见表2。由于力的作用点和翼型的压力中心不重合,x和y方向的分布力产生附加扭矩MzB。而Bladed输出的扭矩,是由翼型俯仰力矩系数得到的。所以,两者差别较大。3分辨率与分析本文针对800kW风力机叶片有限元模型,根据最大挥舞弯矩极限载荷,分别由MPC加载和分布力加载计算叶片挠度、静强度和稳定性。3.1mpc多点约束加载作用下叶片挠度比较在MPC加载和分布力加载作用下,叶片挠度为叶尖最大变形量。MPC多点约束加载作用下叶片挠度为2.62m,分布力加载作用下叶片挠度为2.70m,两种加载方式下叶片挠度较接近。从云纹分布来看叶片在两种加载方式作用下变形合理。3.2材料铺层结构对材料应力的影响静强度分析的关键是应力计算,包括风力机叶片各种铺层材料在各种极限工况下的应力。本文针对风力机叶片有限元模型分别在两种加载方式下计算叶片强度特性。叶片主梁为主要承力结构,承载叶片的大部分弯曲载荷,主梁采用单向程度较高的玻纤织物增强,以提高主梁的强度及刚度。叶片蒙皮和腹板蒙皮由双向玻纤织物增强,以提高蒙皮的剪切强度,本文在建层合板模型中,将±45°双轴布分解为+45°玻纤布和-45°玻纤布分别设定铺层,铺层方向为+45°和-45°,材料属性采用0°单向布对应的属性。图6所示为叶片主梁x方向的应力云图。两种加载方式下叶片静强度的各层应力云图很相似,应力极值不同,分布力加载的应力略大于MPC加载时的应力。叶片和腹板外蒙皮+45°玻纤布的铺层方向为+45°,应该将x,y方向的应力转化为纤维方向的应力,与0°玻纤布的强度比较。应力转轴公式如式(4)。叶片壳体各铺层均为正交各向异性材料,与各向同性材料相比,各向异性材料最大作用应力并不一定对应材料的危险状态,因此不能采用各向同性材料的强度理论。要准确判断正交各向异性材料的强度,应该根据材料主方向上的应力,通过蔡-吴失效准则或Hill-蔡强度理论判断材料强度。将各种铺层材料的输出应力代入蔡-吴失效准则和Hill-蔡强度理论,满足强度要求。3.3叶片屈曲分析MSC.Nastran中特有的特征值抽取算法可精确判断出临界失稳点,给出屈曲因子。MSC.Nastran可根据需要算出N阶屈曲,最低阶屈曲载荷就是屈曲极限载荷。本文根据叶片线性屈曲的前三阶模态来研究叶片的屈曲强度。屈曲载荷计算公式如式(5):式中,Pa———叶片所受到的实际载荷,它是所有作用在叶片上的载荷的综合效果。因为最低阶屈曲模态的屈曲因子Factor1=1.2438>1,即Pc>Pa,说明屈曲载荷大于实际载荷,且实际载荷已乘以1.35的载荷安全系数,所以叶片结构在极限载荷作用下满足屈曲分析要求。两种加载方式下,叶片的各阶屈曲应图很相近,屈曲危险点相同。4叶片应力分析本文根据最大挥舞弯矩对应的极限载荷,给出一种分布力的加载方式,通过叶片有限元模型分析挠度、静强度和稳定性,同时与MPC多点约束加载结果相比较。从叶片的挠度分析来看,两种加载方式的挠度变化趋势基本相同,分布力的叶尖挠度略大;分析叶片主梁、叶片和腹板外蒙皮+45°铺层的应力,两种加载方式下,叶片的应力分布和极限应力的位置基本相同,应力极值相差很小,分布力加载的应力水平略高于MPC多点约束加载时的应力;叶片屈曲分析表明,两种加载方式下,叶片的前三阶屈曲因子均大