风力机叶片的有限元分析

风力机叶片的有限元分析 摘 要：通过Solidworks软件对3MW风力机叶片进行建模，然后基于ANSYS 和Workbench分别对其进行模态分析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的结构静力分析部分也使用到了ANSYS Mechanical APDL。其中模态分析结果表示：叶片的振型以摆振和弯曲为主，其一阶模态频率分别为 0.34Hz，能顺利的避开外在激励频率，避免了共振现象的发生。流固耦合分析对额定风载进行了数值模拟仿真，通过结构静力分析，对叶片的受力，变形情况有了一个基本的了解，其中叶片在额定风载情况下的最大应力为56MPa，远远低于其实测拉伸强度的720MPa。在11级风载下的应力云图显示其所受的最大应力为83.8MPa，满足其材料的强度要求。该分析对进一步的疲劳分析和优化设计等提供了参考和依据。关键词：叶片建模；模态分析；流固耦合分析；结构静力分析Abstract: Through the Solidworks software build the blade model which power is 3 MW. Then based on the ANSYS and Workbench software,the analysis of modal and fluid-structure interaction.And the Static structural analysis is used the ANSYS Mechanical APDL too.The modal analysis results show that the vibration modes of this blade are presented as Shimmy and bending,The first modes frequency is 0.34Hz.And it can avoid the external excitation frequency well,Avoid the resonance phenomenon occurs.The analysis of fluid-structure interaction have do a numerical simulation about Rated wind load,through the Static structural analysis we have a basic understanding of the stress and deformation about the blade. And the maximum stress of the blade is 56MPa under the rated wind load.Far lower than the Measured tensile strength of 720MPa.And under the 11 rating wind load.The stress cloud show that maximum stress is 83.8MPa,Meet the strength of the material requirements.This analysis provides a reference and basis for further fatigue analysis and optimization design.Keywords: Blade modeling；Modal analysis；Fluid-structure interaction analysis； Static structural analysis1概 述 风能是地球表面大量空气流动所产生的动能，风能量具有取之不尽、用之不竭、就地可取、不需运输、广泛分布、不污染环境、不破坏生态、周而复始、可以再生等诸多优点。人类利用风能的历史可以追溯到西元前，但数千年来，风能技术发展缓慢，没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。风力机叶片是风力发电机组承受风载的关键部件。一个优良的叶片应该具有高的捕风能力、高寿命并且能够承受当地极限风载的能力。所以对叶片进行一系列的有限元分析来验证其结构强度等是否能满足其在规定环境下的长期运行具有很高的实际意义。2叶片建模该论文叶片模型是以3MW水平轴风力发电机叶片为例，叶片翼型为NACA4412。其叶片的三维模型是通过Solidworks软件建立的。叶片的建模前需要确定叶片的长度尺寸、叶素的弦长L和叶素的安装角。下面就来确定以上参数并进行建模。2.1 叶片长度的计算在实际设计过程中，对于给定功率的风力机叶轮直径直接由下式给出： 式中: D风力机叶轮直径；P风力机输出功率，其中取P=3MW；CP 风能利用系数，高速风力机一般取CP=0.4；机械传动和发动机效率，取=0.81； 空气密度，取=1.225Kg/m3； Vn额定风速，取Vn=13m/s。 经计算求得D93.59m，所以取D=94m，即叶片长度为47m。考虑到目前国内外的风力机大部分是采用三叶片的，并且三叶片的风力机运行和功率输出比较平稳，所以选择叶片数为B=3。同时确定叶尖速比0=6。 2.2 叶素的弦长和安装角的计算应用涡流理论设计风力机叶片，把叶片分成若干个叶素，分别对各叶素在最佳运行状态下进行空气动力学的计算。计算参数背景：风力机回转直径（即叶轮直径D），风力机的叶片数目B，叶尖速比0，攻角i，升力系数CL，r/R的比值关系（R即为回转半径，r是叶素的回转半径）。在这里将r/R=1/n、2/n、3/n1，在此取n=20，即将其整个叶片分为20份进行计算。其叶素的弦长L和安装角的计算公式如下： 其中，。取其攻角i=6°，设计升力系数CL=1.9。考虑到叶片的根部对风力发电机的输出功率贡献不大，所以计算并非从叶根部位开始算起，而是以叶展方向r=9.4m处开始计算，将其9.4m47m等分为20份，即每隔1.88m建立基准面并绘制相应的叶素轮廓。2.3 Solidworks建模 基于以上参数，用简单的放样和放样切割指令即能完成叶片建模，叶片模型如图2.1所示，截面图如图2.2所示。 图2.1 叶片模型 图2.2 截面图以上模型仅适用于模态分析，而流固耦合分析模型需要将整个风轮模型建立，风轮模型如下图2.3、图2.4所示。这两个模型分别是流固耦合分析在Workbench和ANSYS经典界面所用的模型，图2.4中的叶片也是实心。两模型在外观上完全相同。 图2.3 流固耦合模型（Workbench） 图2.4 流固耦合模型（ANSYS经典）虽然本文主要任务是有限元分析，但在此花了大量篇幅来对建模进行叙述。主要是由于一个好的模型可以为后文分析的顺利进行提供更好的支持。3模态分析3.1 模态分析概述机械设计中，研究弹性体振动问题的重要目的就是避免共振，具体的机械结构可以看成是多自由度的振动系统，具有多个固有频率，在阻抗试验中表现为多个共振区，这种在自由振动时结构所具有的基本振动特性称为结构的模态。结构模态是由结构本身的特性和材料特性所决定的，与外载荷等条件无关。风力机叶片是风力发电机组的关键部件之一，也是风力载荷直接作用的部件。对于大型风力机叶片，由于叶片自身的重量也是一个不可忽略的载荷，然后再加上一些外载荷的影响，风力机在运行过程中，很容易发生振动，而导致叶片的破坏。为了避免叶片发生共振而造成破坏就需要对叶片就行模态分析，确定其固有频率和振型，从而分析出其在外载荷作用下的结构动力特性。3.2 叶片模态分析该模态分析的方法和常规的模态分析完全相同，选择的单元类型为SOLID45。材料属性参考了其它论文，选择基体材料为环氧玻璃钢，该材料的比强度、比模量、耐久性和耐腐蚀性都能满足运行环境的要求。其杨氏模量（EX）为1.92E10，泊松比（PRXY）为0.15，密度（DENS）为1850 Kg/m3。叶片的有限元模型如图3.1所示，其网格划分模型放大图如图3.2所示。然后在叶根 图3.1 有限元模型 图3.2网格局部放大的截面加上全约束（ALL DOF），约束的施加需和实际情况相同。从而求解得到模态频率如表3.1所示，单位为Hz。前四阶模态振型分别如下图3.3（a）（d）所示。表3.1 叶片模态频率 阶次12345678910 频率0.33991.141.7172.9014.31545.18477.77599.249411.23711.515 （a） （b） （c） （d） 图3.3 模态振型 经参考海风的频率大致在0.1至0.2Hz，该模型的一阶模态频率约为0.34Hz，能很好的避开外在激励频率。前七阶模态振型均以摆振为主，在第八阶之后出现了扭振情况。4流固耦合分析4.1 流固耦合概述流固耦合定义：流体与固体之间流体动力、结构弹性与惯性力之间的耦合作用。流固耦合分析（FluidStructure Interaction Analysis）是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门分析方法。在某些特定研究和分析中，由于涉及的固体变形和流场变化都不能忽视，流固耦合分析显得极为重要和必不可少。该论文为单向的流固耦合分析，单项流固耦合分析是指耦合交界面处的数据传递是单向的，一般是指把由CFX计算的结果（如力、温度等）传递给固体结构，但是没有固体结构分析的结果传递给流体的过程。流固耦合分析是基于流体和固体的控制方程，然后建立控制方程的基本形式，给定各参数以及适当的初始条件和边界条件，统一求解的。4.2 风轮流固耦合分析 该毕业设计流固耦合分析涉及的操作环境有Workbench和ANSYS经典。在Workbench主要工作是流体的计算，然后再将CFX-Post的风力载荷通过耦合界面传递到ANSYS经典中进行结构静力分析。分析流程图如图4.1所示。下面就详细介绍该分析过程。传递面ANSYS经典 图4.1 流固耦合分析流程4.4.1 几何模型处理（Geometry）将图2.4所示模型导入Workbench，如下图4.2所示。模型处理过程的任务是建立一个旋转域和一个外流场，需要注意的是：其中旋转域