大型风电叶片后缘最大弦长区域稳定性研究.pdf

　５８　　　　　大型风电叶片后缘最大弦长区域稳定性研究　　２０１５年６月　　　　大型风电叶片后缘最大弦长区域稳定性研究　　　苏成功，李成良，鲁晓锋　　　　　（中材科技风电叶片股份有限公司，北京１００１９２）　　摘要：复合材料风电叶片最大弦长区域后缘通常为板壳结构，在风载作用下发生较大变形，是叶片较频繁出现损坏的区域。采用有限元的特征值屈曲分析方法，分析了蒙皮设计、加筋和安装第三个腹板这几种不同的结构设计形式对屈曲因ｑ－ａ　　．　　　　　　　　　　　　　　　叶片重量（成本）的影响。比较了不同设计下叶片重量与屈曲因－７－－￣ｒ￣的关系，从而找到稳定性最好且成本最优的设计方案　。　　研究结果表明，叶片要达到相同的屈曲因子时，安装第三个腹板是叶片增重最小、成本最优的设计方案。　　关键词：风电叶片；屈曲分析；结构设计；有限元分析；复合材料　　　　　———　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１５）０６００５８０６　　　　风力发电是目前利用风能的重要形式，也是多　　　　种可再生能源利用技术中比较成熟的，风力发电占　世界电能的比例近年来得到了快速的提升Ｈ］。随着　　　风力机单机容量的增大，风电叶片也越来越大，对风　　　电叶片强度和屈曲稳定性提出了更高的要求。　风电叶片结构通常为玻璃钢复合材料组成。复　　合材料铺层和结构设计较为复杂，特别是叶片最大　　弦长处后缘区域，较为频繁地出现损坏［２］。该区域　　　　　　　　受气动外形的影响，通常为较大面积的板壳结构。　　在叶片受到风载作用下，叶片后缘面板受压而发生　　　　较大变形。当风载超过叶片承载能力时，最大弦　　　长区域后缘面板失稳，将出现屈曲破坏现象。　　　　本文分析了３．ＯＭＷ叶片最大弦长区域三种主　　要结构的屈曲稳定性。采用有限元的特征值屈曲分　析方法开展分析工作。　　　１叶片稳定性分析理论　　　　　　叶片结构主要由迎／背风面蒙皮、主梁、两个Ｃ　　型腹板和后缘ＵＤ构成。迎／背风面蒙皮及腹板都　　　是内部填充芯材的夹芯结构，以减轻叶片重量，增加　　　　结构稳定性。叶片的典型切面示意图见图１。　背风面冀　腹扳　　后缬　腹扳　迎Ｊ　、．　‘　／　　　　图１叶片典型切面结构示意图　　　　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｓｅｃｔｉｏｎｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｂｌａｄｅ　　风电叶片的结构设计通常需要满足三个方面的　　　要求，即强度、刚度和稳定性要求］。强度要求是指　　　　结构应具有足够的抵抗破坏的能力，如纤维的破坏、　树脂基质的破坏等；刚度要求是指结构应具有足够　　　　　　的抵抗变形的能力，满足塔筒净空及叶片频率的设　　　　计要求；而稳定性要求则是指结构应具有足够的保　　持原有平衡状态的能力。当结构所承受载荷达到某一　　　特定的值时，若增加一微小的增量，则结构的平衡　　　状态将发生很大的改变，这种现象就称为结构失稳　　　　　或屈曲，相应的载荷称为屈曲临界载荷］。本文围　　　　　　绕风力机叶片屈曲稳定性问题开展，采用有限元的　　特征值屈曲分析方法。　　　特征值屈曲分析方法属于结构线性分析，用于　　　　预测理想线弹性结构的理论屈曲强度，即分支点，载　　　　　荷－变形曲线如图２所示。“　位移　　图２分支点失稳与极值点失稳　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎｂｕｃｋｌｉｎｇａｎｄｅｘｔｒｅｍｅｐｏｉｎｔｂｕｃｋｌｉｎｇ　　　　在特征值屈曲分析中，使用特征值公式来计算　造成结构负刚度的应力刚度矩阵的比例因子。结构　　—　收稿日期：２０１４１１．０７　　　作者简介：苏成功（１９８３一），男，硕士，工程师，主要从事风轮叶片结构设计和分析等相关工作。　　　赫，（ｌ｜＿＾嘎　０　２０１５年第６期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　６１　　　图１０３组后缘加筋示意图　　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．１０Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｒｅｅｐｍｒｏｆ￣ｍｌｉｎｇｅｄｇｅｒｉｂｂｉｎｇｓ　　　表２后缘加筋数量及位置的影响　　　Ｔａｂｌｅ２Ｔ　　　　　　　　ｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｒｉｂｂｉｎｇｓｎｕｍｂｅｒａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎ　后缘加筋数量　　屈曲因子／一叶片重量／ｋｇ　　　　　　另外，后缘加筋长度不变（叶片１０ｍ到１４ｍ区　　　　　域），分析了３组后缘加筋厚度（２０ｍｍ至７０ｍｍ）及　　　　宽度（２００ｍｍ至５００ｍｍ）的变化对叶片屈曲因子、重　　　　　　量及刚度的影响，分别如图１１和图１２所示。通过　　　分析，随着蒙皮后缘加筋厚度及宽度增加，叶片屈曲　因子及刚度增大。蒙皮后缘加筋厚度与宽度变化　　　　　　　时，叶片重量与屈曲因子之间的关系如图１３所示，　后缘加筋厚度变化曲线与后缘加筋宽度变化曲线基　　　　　　本重合。因此，要达到相同的屈曲稳定性可以增加　后缘加筋的厚度，也可以增大后缘加筋的宽度。一　１０　０　　　１０２０　３０　４ｏ　５０　６０　７ｏ　８０　蒙皮加筋厚度／ｍｍ　目　型　　蓝　戢　瓣　　　　图１１蒙皮加筋厚度影响分析　　　　　　　　Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｒ　ｉｂｂｉｎｇｓ　０　ｌ００　２００　３ＯＯ　４０Ｏ　５００　　蒙皮加筋厚度／ｍｍ　０　ｌ００　２００　３００　４ＯＯ　５００　　蒙皮加箭厚度ｍｎ　ｌ３４８０　１３４（：０　１３４４０　ｌ姗盏ｌ３４００　萋　ｌ３３８０　１３３６０　　　图１２蒙皮加筋宽度影响分析　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．１２Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗｉｄｔｈｏｆｒ　ｉｂｂｉｎｇｓ　　　１３３８ｏｌ３４００　ｌ　１３￣１０　ｌ３４６Ｏ　１３４８０　　叶片重量，ｋｇ　　　图１３蒙皮加筋厚度与宽度影响对比　　　　　　　　Ｆｉｇ．１３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　　　　　ａｎｄｗｉｄｔｈｃｈａｎｇｅｏｆｒｉｂｂｉｎｇｓ　　３．３后缘增加第三个腹板影响分析　　　　为提高大型叶片最大弦长后缘区域稳定性，可　　　　瓣麟×　×　×　×　×　×　　ｘ×　　　　　　　』卫皇４２　　　　　　　　一一一～一～～¨　　　拉　　　Ｈ雌　　　越墩　。　＿，　　吸蕾碹　＝。　加　　　Ｉ，暇氧唾　２０１５年第６期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　６３　　　　缘合适的位置安装第三个腹板是叶片增重最小、成　　本最优的设计方案。　融　　氧　　喧　　叶片重ｔｔ／ｋｇ　　　图１７屈曲因子与叶片重量曲线图　　　　　　　Ｆｉｇ．１７Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｂｕｃｋｌｉｎｇ　　　　ｆａｃｔｏｒａｎｄｂｌａｄｅｗｅｉｇｈｔ　　　４结论　　　　本文采用有限元特征值屈曲分析方法，分析了　　　　蒙皮设计、加筋及后缘安装第三个腹板对叶片屈曲　　　　　　因子、重量和刚度的影响。文中统计了叶片设计中　　　的规律，不但能够指导叶片设计，对叶片维修也有一　　　定的参考价值。通过研究屈曲因子的变化规律，得　　到如下结论：　　　（１）随着蒙皮厚度的增加，叶片屈曲因子、重量　　和刚度线性增大。蒙皮芯材增厚比增加双轴织物层　　　数重量轻，屈曲因子上升快；　　　　　　（２）叶片后缘区域加筋的数量越多，屈曲因子　　　　越大。单个后缘加筋安装在后缘蒙皮中部时，屈曲　　因子最高；　　　　　（３）随着蒙皮后缘加筋厚度及宽度的增加，叶　　　片屈曲因子、重量和刚度均增大且基本呈线性关系。　　　蒙皮后缘加筋厚度和宽度变化时，在相同重量下，屈　　曲因子基本一致；　　　（４）叶片屈曲因子随第三个腹板距后缘边的距　　　　离先增大后降低，当第三个腹板位于后缘中部时，屈　　曲因子最高；　　　　　（５）增加第三个腹板芯材的厚度，屈曲因子增　　　幅缓慢，在设计中应在稳定性与重量之间取得平衡；　　　　（６）综合比较增加蒙皮厚度、蒙皮加筋和安装　　　第三个腹板，叶片要达到相同的屈曲因子，在后缘合　　　　适的位置安装第三个腹板是叶片增重最小、成本最　优的设计方案。　参考文献　　　　［１］薛彩虹，李军向，王超，等．复合材料风电叶片有限元建模和屈　—　曲稳定性分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，１：４６．　　　　　　　　　　［２］陈宇奇，马辉，陈欣．风机叶片在台风中结构破坏的分析［Ｃ］．　—　全国风力发电技术协作网第二届年会论文集，２００７．１３４１４１．　［３］杨娜，沈世钊．板壳结构屈曲分析的非线性有限元法［Ｊ］．哈尔　　滨工业大学学报，２００３，３５（３）：３３８・３４１．　　　　［４］陈宇奇，王铁民，苏成功．风电机组叶片蒙皮结构铺层设计研究—　［Ｊ］．风能，２０１０，７：５６５９．　　　　　　［５］李成良，陈淳．风力机叶片的结构分析与铺层优化设计［Ｊ］．玻　　璃钢／复合材料，２００９，６：５０－５３．　　—　［６］Ｅ．Ｌｕｎｄ，Ｌ．Ｋｕｈｌｍｅｉｅｒ，Ｊ．Ｓｔｅｇｍａｎｎ．ＢｕｃｋｌｉｎｇＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＬａｍ　　　　　　　　ｉｎａｔｅｄＨｙｂｒｉｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｈｅｌｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓＵｓｉｎｇＤｉｓｃｒｅｔｅＭａｔｅｒｉａｌ　　　　　　—　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｃ］．６ＷｏｄｄＣｏｎｇｒｅｓｓｏｎＳｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｄＭｕｈｉｄｉｓｃｉ　　ｐｌｉｎａｒｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，２００５．４－９．　　　［７］赵娜，李军向，李成良．基于ＡＮＳＹＳ建模的风力机叶片模态分—　析及稳定性分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，６：１４１７．　　　　　　　　［８］ＧｅｒｍａｎｉｓｃｈｅｒＬｌｏｙｄ．ＧｕｉｄｅｌｉｎｅｆｏｒｔｈｅＣｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓ　　　　　［Ｍ］．ＲｕｌｅｓａｎｄＧｕｉｄｅｌｉｎｅｓＩｎｄｕｓｔｒｉａｌｓｅｖｉｃｅｓ，２０１０．５－２１．　　’’　　　　　　　　　　　　　　　　’　ＢＵＣＫＬｌＧＳｒＪ＇ＡＢｌＬｌＩＹＲＥＳＥＡＲ：ＨＵＴＨＥＭＡＸＩＭＵＭＣＨＵＲＤＲＥＧｌ００　　　　　　ＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＴＲＡＩＬＩＮＧＥＤＧＥ　—　　　—　—　ＳＵＣｈｅｎｇｇｏｎｇ，ＬＩＣｈｅｎｇｌｉａｎｇ，ＬＵＸｉａｏｆｅｎｇ　　　　　　（ＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９２，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｉｓｕｓｕａｌｌｙｓｈｅｌｌａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｈｏｒｄｒｅｇｉｏｎｏｆｔｈｅｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅ．　　　　　　　　　　　　　　　　　　—　Ｉｔｈａｖｅａｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｗｉｎｄｌｏａｄ，ａｎｄｉｔｉｓｔｈｅｍｏｒｅｆｒｅｑｕｅｎｔｄａｍａｇｅａｒｅａ．Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｅｉｇｅｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｖａｌｕｅｂｕｃｋｌｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｎｂｕｃｋｌｉｎｇｆａｃｔｏｒａｎｄｂｌａｄｅｗｅｉｇｈｔ　　　　　　　　　　　　　　　（ｃｏｓｔ）ｏｆｓｅｖｅｒａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒｍｓａｂｏｕｔｓｋｉｎｄｅｓｉｇｎ，ａｄｄｒｉｂｓａｎｄｉｎｓｔａｌｌｔｈｉｒｄｗｅｂ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅ－　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｗｅｅｎｂｌａｄｅｗｅｉｇｈｔａｎｄｔｈｅｂｕｃｋｌｉｎｇｆａｃｔｏｒｕｎｄｅｒｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｆｉｎｄｔｈｅｂｅｓｔｓｔａ－　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｓｔｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｓｔａｌｌｔｈｉｒｄｗｅｂｉｓｔｈｅｂｅｓｔｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｏｆｏｐｔｉｍａｌ　　　　　　　　ｃｏｓｔ，ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ，ｗｈｅｎｔｈｅｂｕｃｋｌｉｎｇｆａｃｔｏｒｉｓｔｈｅｓａｍｅ．　　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｂｌａｄｅ；ｂｕｃｋｌｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ　　蜘麟