利用有限元對大型風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)分析和測試

2017-03-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片(下文簡稱葉片)是風(fēng)電設(shè)備將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵部件,其制造成本約占風(fēng)機(jī)總成本的15%——30%。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片基本由復(fù)合材料制成,葉片設(shè)計與制造是風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)關(guān)鍵。目前,國內(nèi)多家葉片生產(chǎn)企業(yè)都在自主開發(fā)新型號葉片,設(shè)計中所用的工具也不盡相同。FOCUS軟件是用于風(fēng)電機(jī)組及組件(如葉片)快速設(shè)計分析的軟件工具,在國際風(fēng)電設(shè)備工業(yè)有超過10年的應(yīng)用史。相對于使用三維建模軟件和有限元計算軟件結(jié)合的設(shè)計路線,使用FOCUS軟件更為便捷。

本文通過使用FOCUS軟件對某型號葉片直接完成建模,對其進(jìn)行了模態(tài)和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析,并與實際葉片的模態(tài)和靜力試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

2、模型建立

擁有獨特的對葉片進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計的交互式建模工具。在對葉片進(jìn)行逐步定義的同時,三維的交互式顯像會對設(shè)計變化給出直接反饋。使用FOCUS軟件對本文所研究的葉片進(jìn)行建模,第一步是通過一系列坐標(biāo)點定義翼型輪廓線,第二步是在三維空間中設(shè)置翼型位置、放大比例、旋轉(zhuǎn)角度、預(yù)彎等來建立氣動外形,第三步是定義材料,第四步是定義鋪層邊界,第五步是根據(jù)鋪層邊界和設(shè)計厚度定義鋪層,從而完成了風(fēng)機(jī)葉片的建模。該葉片是由壓力面殼體、吸力面殼體和前后緣兩側(cè)抗剪腹板結(jié)構(gòu)組成,其中殼體由蒙皮、大梁、大梁兩側(cè)的芯材、后緣增強(qiáng)層和葉根增強(qiáng)層組成,所涉及的主要增強(qiáng)材料包括單軸向布、雙軸向布、三軸向布、Balsa木、PVC泡沫。

3、重量分析

對該模型提取截面屬性,并通過后處理選擇葉片重量,得到葉片計算重量分布,見圖1。

利用有限元對大型風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)分析和測試ansys結(jié)果圖片1

從圖1可知,該葉片重量在0——1m處的斜率最大,表明在葉根處的單位重量最大,這是由于葉根段需要達(dá)到一定的鋪層厚度滿足打孔需要。其計算重量為7683kg,實際樣片的稱量重量為7675kg,偏差0.1%,二者非常接近,表明模型與實際一致性好。

4 、模態(tài)分析

對該模型進(jìn)行模態(tài)計算,并分別提取了一階揮舞、二階揮舞、一階擺振和一階扭轉(zhuǎn)的振型,如圖2——5所示。模型計算頻率與樣片試驗頻率的對比見表1。從圖2——5和表1可知,樣片試驗的頻率均小于計算頻率,造成偏差的主要原因是樣片整體剛度比設(shè)計剛度偏小,但偏差小于5%,符合 GL2010的相關(guān)測試要求。

利用有限元對大型風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)分析和測試ansys結(jié)果圖片2

利用有限元對大型風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)分析和測試ansys結(jié)果圖片3

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5、靜力分析

5.1位移分析

在葉片靜力試驗過程中,載荷是通過位于設(shè) 定截面的加載夾具,從0%,40%,60%,80%到 100%逐步加載的。對施加100%載荷時,計算位移和試驗位移的對比結(jié)果見圖6。圖6中為便于比較,不考慮位移的方向性,位移數(shù)據(jù)均取正值。

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從圖6可知,沿葉片長度方向共設(shè)立了7處位移測試點,主要集中在了葉片的中后部。沿葉片長度方向,葉片位移逐漸增大,且越靠近葉尖,位移增大速度越快,這種趨勢在最大揮舞方向和最小揮舞方向更為顯著。4個測試方向中,最大揮舞方向比最小揮舞方向的位移大,最大揮舞方向的葉尖位移最大,試驗值為10441mm,計算值為 10456mm,偏差很小僅為-0.015%,說明該模型能真實地反映葉片受載時的葉尖撓度,該樣片能夠滿足整機(jī)設(shè)計的凈空需要。4個測試方向中,試驗位移和計算位移高度擬合,最小擺振方向的偏差相對大一些,最大偏差僅為5.08%,小于7%,滿足GL2010的相關(guān)測試要求。

5.2應(yīng)變分析

目視檢查不能監(jiān)測到的葉片狀態(tài)變化,通常可用應(yīng)變計來監(jiān)測。對置于葉片壓力面大梁和吸力面大梁位置處的監(jiān)測點,分別在最大揮舞方向和最小揮舞方向施加100%載荷的應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計,見表2。對置于葉片前緣、后緣位置處的監(jiān)測點,分別在最大擺振方向和最小擺振方向施加 100%載荷的應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計,見表3。

利用有限元對大型風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)分析和測試ansys分析案例圖片8

利用有限元對大型風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)分析和測試ansys分析案例圖片9

從表2可知,在承受最大揮舞方向載荷時,葉片壓力面大梁應(yīng)變?yōu)檎?吸力面大梁應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,在L20.0m處的應(yīng)變最大。在承受最小揮舞方向載荷時,葉片壓力面大梁應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,吸力面大梁應(yīng)變?yōu)檎?在L20.0m處的應(yīng)變最大。在吸力面大梁L23.5m處的計算應(yīng)變和試驗應(yīng)變偏差較大,結(jié)合該試驗應(yīng)變在不同載荷步下的變化情況,認(rèn)為該應(yīng)變片失效,應(yīng)變數(shù)據(jù)無效。除此之外,計算應(yīng)變與試驗應(yīng)變最大偏差為-7.04%,小于10%,符合GL2010規(guī)范要求。

從表3可知,在承受最大擺振方向載荷時,葉片前緣應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,葉片后緣應(yīng)變?yōu)檎?同側(cè)不同截面的應(yīng)變變化不大,在L16.0m處的應(yīng)變最大。在承受最小揮舞方向載荷時,葉片前緣應(yīng)變?yōu)檎?葉片后緣應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,同側(cè)不同截面的應(yīng)變變化不大,前緣在L16.0m處的應(yīng)變最大,后緣在L23.5m處的應(yīng)變最大。在后緣L9.0m處的計算應(yīng)變和試驗應(yīng)變偏差較大,結(jié)合該試驗應(yīng)變在不同載荷步下的變化情況,認(rèn)為該應(yīng)變片失效,應(yīng)變數(shù)據(jù)無效。除此之外,計算應(yīng)變與試驗應(yīng)變最大偏差為-7.61%,小于10%,符合GL2010規(guī)范要求。

6、結(jié)論

使用FOCUS軟件進(jìn)行風(fēng)電葉片模型搭建, 計算葉片質(zhì)量,與樣片實測重量相比,偏差僅 0.1%,表明模型搭建合理。計算頻率和試驗頻率的偏差均小于5%,符合GL2010規(guī)范要求。計算位移和試驗位移的偏差均小于7%,計算應(yīng)變和試驗應(yīng)變的偏差除異常點外均小于 10%,符合GL2010規(guī)范要求。

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