復合材料風電葉片有限元剛度分析

1、復合材料風電葉片有限元剛度分析靳交通1梁鵬程1曾竟成2,楊躍華二江翼1（1.株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南 株洲，412007; 2.國防科學技術大學 航天和材料工程學院，湖南 長沙，410073）摘要：運用大型通用軟件 PROE建立了某兆瓦級風電葉片的三維模型，將所建立的三維模型通過輸岀輸入接口導入到通用有限元軟件 ANSYS環(huán)境下進行有限元分析。分析采用殼單元shell99模擬風電葉片并進行了模態(tài)分析和靜力分析。風電葉片 flapwise和edgewise兩個方向上一階固有頻率以及兩種載荷工況下的位 移分析結果和實測結果基本吻合，從而證明了該方法的可行性。該方法縮短了建模時間，提高

2、了工作效率，對工程上葉片結構校核及新產(chǎn)品開發(fā)具有一定的指導意義。關鍵詞：復合材料葉片，有限元，模態(tài)，剛度 中圖分類號：TK83文獻識別碼：A引言復合材料葉片是風機設備中將風能轉化為機械能的關鍵部件。目前，葉片尺寸正在朝著大型化的方向發(fā)展，而其結構性能試驗的成本也隨之增加，因此， 找到一種有效的結構計算分析方法對于節(jié)約成本以及結構校核和開發(fā)新型葉片 就顯得尤為重要。隨著計算機技術的發(fā)展，有限元法在結構分析中得到了廣泛的使用。有限元強大的建模和結構分析功能適用于復合材料葉片的應力、變形、頻率、屈曲、疲 勞及葉根強度分析。ANSYS是一款著名的商業(yè)化大型通用有限元軟件，廣泛使 用于航空航天、機械制造

3、等領域。ANSYS多物理場仿真及耦合的獨特功能，以 及200多種單元類型，可以對復合材料結構設計、材料研究及制造工藝提供完整 的解決方案?？傊?，對于復合材料結構計算分析，完全可以通過ANSYS程序來實現(xiàn)。但是，因復合材料葉片結構的特殊性，例如：形狀不規(guī)則（每個截面都不同）；鋪層復雜，過渡層很多；大量夾層結構（“三明治”結構）：大量粘結區(qū)域。所以，其有限元模型的建立是葉片結構有限元分析中的一大難題，而單元類型的選擇又決定著建立有限元模型的難易。目前，復合材料風電葉片有限元模型在單元類型的選擇上主要采用三種單元類型：shell99殼單元、shell91殼單元、Solid46實體單元。選擇實體單元，

4、雖然能提高有限元的計算精度，但是建 立葉片的有限元模型會花費大量的工作時間，且很難定義單元坐標，這非常不利于工程上葉片的結構校核及分析；選擇殼單元，可以方便地設置和修改鋪層厚度， 單元坐標的設置容易實現(xiàn)，建模和計算時間比采用實體單元少，這極大地提高了 工作效率，而且其計算精度完全可以滿足工程需要。因此，本文使用shell99殼單元，通過三維建模，建立了葉片的有限元模型，”基金項目：國家863項目（編號:2007AA03Z563）,湖南省重大科技專項（編號:NO.2006GK1002）.第一作者：靳交通（1980.9-）,工學碩士，主要從事復合材料風電葉片結構設計工作 .Email:jinjia

5、otong并以懸臂梁的方式，對葉片的模態(tài)和靜力變形進行了計算分析， 通過計算，得出 了葉片的重量、振型及最大變形，并和試驗數(shù)據(jù)進行了對比。1有限元模型的建立通常，在整個有限元求解過程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立。 一般包括幾何建模、定義材料屬性和實常數(shù)（要根據(jù)單元的幾何特性來設置，有 些單元沒有實常數(shù)）、定義單元類型，網(wǎng)格劃分、添加約束和載荷等。由于葉片形狀復雜，而一般有限元軟件所提供的幾何建模工具功能相當有 限，所以在ANSYS中難以快速方便地對其建模。因此，針對較復雜的結構，可 以先在三維CAD軟件（如在PROE中）建立幾何模型，然后在有限元分析軟件 ANSYS中通過輸入接口讀入

6、實體模型，最后，在 ANSYS環(huán)境下，通過幾何修 補和簡化、板殼中面抽取、節(jié)點偏置、網(wǎng)格自動劃分等技術對葉片模型進行處理， 并形成高效準確的有限元模型，使之適用于 CAE分析。1.1單元設置和材料屬性針對葉片中的梁、殼等復合材料層合結構， ANSYS提供了一系列的特殊單 元結構多層復合材料單元，以模擬各種復合材料。鋪層單元中可以考慮復合 材料特有的鋪層特性和各向異性特性。本計算采用的是相對簡單的線性鋪層單元 Shell99。該單元是一種八節(jié)點3D 殼單元，每個節(jié)點有六個自由度，主要適用于薄到中等厚度的板和殼結構，一般要求寬厚比應大于10。Shell99可實現(xiàn)多達250層的等厚材料層，或者125

7、層厚 度在單元面內呈現(xiàn)雙線性變化的不等厚材料層。如果材料層大于250,用戶可通過輸入自己的材料矩陣形式來建立模型， 還可以通過一個選項將單元節(jié)點偏置到 結構的表層或底層。單元鋪層主要是確定纖維方向和纖維量，是復合材料風電葉片結構設計的一 個重要環(huán)節(jié)。鋪層設計的優(yōu)劣在很大程度上決定著結構設計的成敗3。本計算的鋪層完全按照工藝鋪層進行設計。 在ANSYS環(huán)境下，針對Shell99 單元，通常有兩種方法來定義材料層的配置： 通過定義各層材料的性質；通 過定義表示宏觀力、力矩和宏觀應變、曲率之間相互關系的本構矩陣。第一種方 法是由下到上一層一層定義材料層的配置， 底層為第一層，后續(xù)的層沿單元坐標 系的

8、Z軸正方向自底向上疊加，對于每一層材料，由單元實常數(shù)表來定義材料 性質、鋪層方向角、厚度，如圖1所示為葉片某部分的單元鋪層；第二種方法是 定義各層材料性質的另一種方式，矩陣表示了單元的力-力矩和應變-曲率的關系，必須在ANSYS外進行計算。Lkv»r*Kk-hn ri I#TJiVRRg TOTM SH>HNFROM圖1單元鋪層圖Fig.1 eleme nt lam in ated diagram葉片的材料體系為玻纖/環(huán)氧，葉片制作采用真空灌注工藝，所用復合材料有：三軸向玻璃布、雙軸向玻璃布、單軸向玻璃布、PVC泡沫、Balsa木、氈等。玻璃鋼復合材料和泡沫材料的主要力學性能見

9、表1、表2所示，其中，Ex為材料的纖維方向，玻璃鋼復合材料的密度取p =1888kg/m3. Balsa木密度取p=150kg/m3，PVC 密度取 p =80kg/m3。表1玻璃鋼復合材料力學性能Table 1. Mecha ni cal properties of FRP materials名稱符號單位UDBiaxialTriaxialExMpa390001140028500玻纖/環(huán)氧EyMpa89201140013500EzMpa892089208920表2.泡沫材料力學性能Table 2.Mecha ni cal properties of foam materials名稱符號單位模量

10、值Balsa 木ExMpa1000EyMpa35PVCExMpa651.2模型建立和網(wǎng)格劃分首先，依據(jù)三維坐標變換原理求解出葉片空間截面翼型的實際位置， 然后以 大型三維軟件PROE為工作平臺，通過導入空間坐標點，生成 B樣條曲線，如 圖2所示為本計算模型的三維線框圖。圖2葉片線框投影圖Fig.2 Blade frame draw ing最后，由曲面掃掠命令生成葉片三維外形圖，再結合曲面曲線分析命令對所生成的曲線、曲面進行檢驗和修改，直至生成符合要求的葉片三維外形圖，如圖 3所示。將生成的三維模型轉化為IGES格式文件，為后續(xù)建立有限元模型做準 備。圖3.葉片外形圖Fig.3 Blade ou

11、tl ine diagram將PROE導出的IGES格式文件，輸入到 ANSYS系統(tǒng)中，得到了 ANSYS 環(huán)境下的葉片三維模型。采用Shell99單元對葉片殼體、梁、腹板進行網(wǎng)格劃分， 有限元模型單元數(shù)為29914,節(jié)點數(shù)為88680,如圖4所示。圖4.網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Mesh ing diagram1.3約束和載荷葉片根部采用剛性固定的約束形式，即根部所在節(jié)點的6個自由度被固定，整個葉片簡化為懸臂梁模型。加載方式和試驗加載方法保持一致，第一個工況， 即在flapwise方向，選擇單點加載，施加集中力39KN，如圖5所示；第二個工況，即在edgewise方向，選擇四點加載，從左至右分別

12、施加集中力57.5KN、21.4KN、20.4KN、36.2KN，如圖 6所示。葉胞別性囲定圖5.flapwise方向加載方式Fig.5 Loadi ng draw ing in flapwise葉根耐姬龍1一4-此-r1r 11 1 1F=57.5KNF=21.4KNF=20.4KNF=36.2KN圖6.edgewise方向加載方式Fig.6 Loadi ng draw ing in edgewise2計算結果和分析2.1質量計算結果表3即為ANSYS輸出的風電葉片質量計算結果，重心位置和實測值基本吻 合，葉片總質量低于實際值。產(chǎn)生葉片質量計算值比實測值小的主要原因是葉片 灌膠后，其泡沫的密

13、度應該大于實際泡沫的密度，以及建立的葉片有限元模型沒有考慮實際葉片中的附件（如接閃器等金屬件）重量等。表3.風電葉片質量計算結果Table 3. The mass result of the blade質量kg重心（距葉根）m實際值595012.1有限元計算值557111.9誤差6.4%1.65%2.2模態(tài)分析結果表4即為ANSYS輸出的風電葉片一階固有頻率計算結果，并且提取了葉片的前五階振型，如圖7所示。表4.風電葉片一階固有頻率計算結果Table 4. The first n atural freque ncy of the blade頻率值Hz一階flapwise 方向一階edgewis

14、e方向試驗值0.81.46計算值0.891.61誤差11.25%10.27%由圖7可知，一階頻率為flapwise方向一階固有頻率,二階頻率為edgewise方向一階固有頻率。由表4知葉片一階固有頻率的計算值比實測值大，造成計算值偏大的主要原因是葉根約束方式和試驗（通過螺栓固定）不一致，以及計算質量小于實際質量等。jLiFLuinuirrip-3Flit-MM H44+LL階拒型me =阿押MTI叮丄酚碾型HiKKnRn'RElRHiLm -pFUqi*±.3MMK «.4I1-LP-橢據(jù)型EM電階旅型DSXFULCMU-IMH -WLaigirFFrpFvgE -

15、Irui-l M-一5耕乘型圖7.振型圖Fig.7 Vibrati on mode diagram2.3靜力分析結果表5即為兩種工況下計算出的風電葉片最大撓度值， 計算結果和實測值吻合 較好。表5 .兩種載荷工況下風電葉片的最大撓度Table 5. The most displaceme nt of the blade in the two load case葉片最大撓度mflapwise 方向edgewise 方向試驗值5.361.11計算值4.831.01誤差9.9%9%葉片變形如圖&圖9所示01,0732. IAS3.2144. 29.S3SZ5Il.mt.fei3.電跡圖8.f

16、lapwise方向變形云圖Fig.8 Deformati on diagram in flapwiset>.Z2M4MKB8.67«3Z.901T41»1127土<MMr 744041L014圖9.edgewise方向變形圖Fig.9 Deformati on diagram in edgewise3結論(1) 采用殼單元模擬風電葉片計算出葉片總質量、撓度變形能和實測結果相 對誤差小于10%，證明了該方法在工程使用上的可行性和可靠性。(2) 由于葉根約束方式和試驗(通過螺栓固定)不一致以及計算質量小于實 際質量等原因，葉片固有頻率的計算值略高于實測結果。(3)

17、采用殼單元計算風電葉片剛度，既可保證計算結果的可靠性又可縮短建 模時間提高工作效率，對風電葉片結構分析的實際工程使用具有重要價值。參考文獻1 Sohn YU, et al. Blade design of a 750kW direct-drive WTGSJ.Beijing, WWEC, 20042 孟志華.ANSYS在航空復合材料數(shù)字化設計和制造工藝中的使用J.航空制造技術，2006第1期.3 孫珊霞.風力發(fā)電葉片結構及鋪放性能研究D.武漢：武漢理工大學，2007.5.4 王富恥，張朝暉.ANSYS10.0有限元分析理論和工程使用M.北京：電子工業(yè)出版社，2006.5.Finite Elem

18、ent Analysis for Composite Material Wind Rotor BladeStiffness1 1 2 11JIN Jiao-tong , LIANG Peng-cheng , ZENG Jing-cheng , YANG Yue-hua, JIANG Yi(1. Zhuzhou Times New Materials Tech no logy CO.,LTD, Zhuzhou 412007,Ch ina ；2. College of Aerospace and Material Engin eeri ng,NUDT，Changsha 410073, China)Abstract: This paper created three-dimensional model for one type of bla