大型风力机叶片全尺寸静力测试分析.pdf

２０１４年第２期玻璃钢／复合材料２３大型风力机叶片全尺寸静力测试分析王超，李军向，张石强，丁．（中材科技风电叶片股份有限公司，北京１０００９２）摘要：本文以１．５ＭＷ风力机叶片为例，运用有限元软件进行风力机叶片静力测试模拟，提供静力测试数据的理论值。通过叶片静力测试采集数据，并按照规范的要求将测试数据与理论设计值进行对比分析，有效验证了设计与工艺结合的可靠性，通过了认证机构的认证。关键词：风力机叶片；模态；挠度；应变中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＫ８３———文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０２００２３０４风力机叶片为纤维增强复合材料制造而成，纤维增强复合材料比强度高，比刚度高¨，应用范围广泛Ｊ。复合材料失效机理复杂～，这对设计与制造工艺提出了严格的要求。通过静力测试可以有效地验证设计的准确性、合理性，以及设计与工艺结合的可靠性，为设计和制造工艺的优化提供坚实的数据支撑。同时风力机叶片全尺寸静力测试是整个叶片认证环节中不可缺少的一部分。遵循相关国际规范ｊ，静力测试相关测试数据与理论设计值之间必须满足一定的容差要求，才能最终确认静力试验的有效。本文将以１．５ＭＷ叶片为例，从模态、挠度和应变等方面按照国际认证规范要求将叶片理论设计值与静力试验测试值进行对比分析，验证叶片设计与制造工艺之间的吻合性。１叶片简介该叶片采用玻璃纤维／环氧树脂材料体系，真空灌注工艺，叶片结构为单梁帽．双腹板型式，如图１所示。迎风面与背风面蒙皮构成叶片的几何外形，材料主要为三轴布（３ａｘ）、双轴布（Ｂｉａｘ）以及芯材（Ｂａｌｓａ／ｐｖｃ）；主梁是叶片的主要承载部件，包括梁帽和剪切腹板，梁帽材料为单轴布（ＵＤ），剪切腹板则由双轴布（Ｂｉａｘ）和芯材（Ｐｖｃ）构成。叶根采用Ｔ型螺栓连接方式，具体为５４个Ｍ３０拉伸螺栓和５４个直径为６４ｍｍ的横向螺栓组成。叶根设计厚度达到９３ｒａｍ，整个叶片重量为５．８Ｔ左右。图１叶片截面示意图Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｄｉａｇｒａｍｏｆｂｌａｄｅｓｅｃｔｉｏｎ２测试载荷下有限元结构分析２．１叶片有限元建模根据叶片气动外形设计相关数据，在三维绘图软件ＣＡＴＩＡ中完成叶片的三维模型建立。结合叶片铺层设计，精确定位各部件的边界线，利用ＣＡＴＩＡ自带的高级网格工具进行网格划分¨，在网格划分过程中严格控制单元质量，尽可能减少三角形单元的数量。整个模型网格总计为４０８９９个节点，４１２５０个单元，其中包含四边形单元４１１０２个，三角形单元１４８个。运用专业铺层软件ＦｉｂｅｒＳＩＭ，按照叶片铺层设计，完成整个叶片铺层模型的建立，并将铺层数据导出。最终将网格数据和铺层数据汇集到有限元软件中建立叶片有限元模型，如图２和图３所示。图２叶片有限元模型整体图Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄｉａｇｒａｍｏｆｂｌａｄｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ收稿日期：２０１３－０５－２７基金项目：国家高技术研究发展计划（２０１２ＡＡ０５１３０２）；国家科技支撑计划（２０１２ＢＡＡ０１Ｂ０２）作者简介：王超（１９８２．），男，硕士，主要从事风轮叶片结构设计和分析等相关工作，ｗｃｈａｏ６０６＠１２６．ｃｏｒｎ。，ｃＩ奄Ｑ毫大型风力机叶片全尺寸静力测试分析２０１４年２月图３叶片有限元模型截面图Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ２．２边界条件及载荷实际运行中叶片根部与轮毂相连，分析中不考虑轮毂建模，直接在叶片根部固定约束。根据规范要求，结合叶片设计载荷得到叶片的测试载荷，见表１。表１叶片测试载荷Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｔｅｓｔｌｏａｄｏｆｂｌａｄｅ注：Ｆｌａｐ＋表示最大挥舞，Ｆｌａｐ一表示最小挥舞，Ｅｄｇｅ＋表示最大摆振，Ｅｄｇｅ一表示最小摆振，下同。２．３有限元计算首先，对叶片进行模态分析，＂，分别提取前两阶挥舞频率和摆振频率，见表２；然后，将四种测试工况的载荷分别加载到叶片有限元模型上进行挠度分析和应变分析，结果如图４～图６所示。表２叶片计算频率Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ￣ｅｑｕｅｎｃｙｏｆｂｌａｄｅ图４叶片计算挠度Ｆｉｇ．４ＴｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｂｌａｄｅＦＲＰ／ＣＭ２０ｉ４ｉＮｏ．２图５挥舞方向计算应变Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｓｔｒａｉｎｏｆｆｌａｐｗｉｓｅ图６摆振方向计算应变Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｓｔｒａｉｎｏｆｅｄｇｅｗｉｓｅ３叶片静力测试３．１模态测试叶片通过叶根螺栓连接安装到测试台，调整叶片安装角，使叶片迎风面朝上，呈挥舞姿态。在距离叶根３８ｍ处安装加速度传感器，并将传感器与动静态应变仪相连。采用突然卸载法测试频率，即在叶尖处对叶片施加一个竖直向下的初始位移，然后突然释放该位移，叶片自由振动起来，通过加速度传感器记录叶片频率。重复３次取平均值作为最终测试结果。调整安装角，使得叶片前缘朝上，重复以上步骤进行摆阵频率测试，详细结果见表３。表３叶片测试频率Ｔａｂｌｅ３Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｂｌａｄｅ３．２挠度及应变测试分别在距离叶根１２ｍ、１８ｍ、２４ｍ和３３ｍ处安装夹具，并在夹具上安装拉力传感器。２０１４年第２期玻璃钢／复合材料２５吊车与拉力传感器相连，对叶片施加载荷，拉力传感器记录测试过程的载荷。在夹具以及叶尖位置安装皮尺测量测试过程叶片的挠度；将叶片监测点的应变片与动静态应变仪相连，用于测量、记录叶片在测试过程的应变。对叶片进行四个工况的测试，测试过程中详细记录叶片挠度数据，同时保存好应变监测数据，以便静力测试完成后提取相关应变通道数据。详细结果如图７～图９所示。图７叶片测试挠度Ｆｉｇ．７Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｂｌａｄｅ图８挥舞方向测试应变Ｆｉｇ．８Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｓｔｒａｉｎｏｆｆｌａｐｗｉｓｅ图９摆振方向测试应变Ｆｉｇ．９Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｓｔｒａｉｎｏｆｅｄｇｅｗｉｓｅ４数据对比分析综合以上理论计算数据和实际测试数据分别从叶片频率、挠度、应变方面进行对比分析，详细结果如表４、图１０～图１２所示。表４频率偏差Ｔａｂｌｅ４Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆ￣ｅｑｕｅｎｃｙ６Ｏ％一ｖ：・Ｆｌａｐ＋；＾Ｆｌａｐ。｛４０％一▲‘Ｅｄｇｅ；秦Ｅｄｇｅ：；：～囊××Ｏ％翻幽’’一’｝１▲３４５６．２０％一截面编号图１０挠度偏差Ｆｉｇ．１０ＴｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｌＯ％●５％一●Ｏ％▲５％．）１２１４１６１８２０２２．１Ｏ％麋・．１５％・一Ｆｌａｐ＋。２０％－Ｆｌａｐ－截面编号图１１挥舞方向应变偏差Ｆｉｇ．１１Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｆｌａｐｗｉｓｅｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ１。％・５％◆◆‘Ｏ％一▲ｓ％７１８２’０２’１２２２‘３２’４．１。％－．１５％●＊－Ｅｄｇｅ＋ｒ．２０％；掊一Ｅｅ－｝截面编号◆图ｌ２摆振方向应变偏差Ｆｉｇ．１２Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｅｄｇｅｗｉｓｅｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ从表４频率偏差可以看出，一阶挥舞频率测试值小于计算值；其他方向频率的测试值大于计算值；频率偏差均在５％以内。从图１０挠度偏差可以看出，截面１、２在各方向的偏差较大，这主要是由于１、２截面靠近叶根，变形小，偏差分析中基数较小；截面３、４偏差相对较小，均在１２％以下；叶尖截面５，在各方向偏差均在６％以内。｜｜．２２６大型风力机叶片全尺寸静力测试分析２０１４年２月从图１１挥舞方向应变偏差可以看出，通道１１、１３、ｌ４、ｌ６、ｌ７和２０应变偏差均在１０％以内；通道２ｌ偏差超过１０％，相对较大。从图１２摆振方向应变偏差可以看出，通道１８、１９、２０和２１偏差均在１０％以内；通道２２、２３在最大摆振下的偏差超过１０％，主要原因是基数较小，但是在最小摆振下该通道的偏差同样保持在１０％以内。５结论通过以上对比分析，计算值与设计值吻合性很好。理论设计与实际生产得到了很好的相互验证，有利于开展更大叶片的设计。频率偏差小于５％、叶尖变形偏差小于６％、主要应变偏差小于１０％，这完全满足叶片国际认证规范的要求，有利于我们开展国际认证。应变偏差分析中挥舞和摆振方向并未选取相同位置的应变，这主要和应变片的位置有关，不同位置的应变片对各方向载荷敏感度不同，特别是数值较小时很难测得有效数据。在后续工作中将进一步优化模型建立，加强复合材料失效机理的研究，同时加强应变监测位置的研究，最大限度提高有效数据的采集。参考文献［１］王国荣．复合材料概论［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９９．［２］李顺林，王兴业．复合材料结构设计基础［Ｍ］．武汉：武汉工业大学出版社，１９９６．［３］王兰彩．纤维增强复合材料（ＦＲＰ）特性［Ｊ］．山西建筑，２０１１，３７—（８）：１０６１０７．［４］沈观林，胡更开．复合材料力学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．［５］王禺权（译），周维金（校）．复合材料在民用飞机结构中的应用［Ｊ］．西飞科技，１９９３，（３）：４ｌ４８．［６］沃丁柱等．复合材料大全［Ｍ］．北京：化学出版社，２０００．［７］罗祖道，王震鸣．复合材料力学进展［Ｍ］．北京：北京大学出版社，１９９２．『８］ＧｅｒｍａｎｉｓｅｈｅｒＬｌｏｙｄ．ＧｕｉｄｅｌｉｎｅｆｏｒｔｈｅＣｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＷｉｎｄＴｕｒ－ｂｉｎｅｓ［Ｍ］．ＲｕｌｅｓａｎｄＧｕｉｄｅｌｉｎｅｓＩｎｄｕｓｔｒｉａｌｓｅｖｉｃｅｓ，２０１０．２２８－２３０（６．２．５）．—［９］ＤＮＶＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＢｌａｄｅ［Ｊ］．ＯｆｆｓｈｏｒｅａｎｄＯｎｓｈｏｒｅＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓ，２０１０，３９．［１Ｏ］盛选禹．ＣＡＴＩＡ有限元划分网格教程［Ｍ］．北京：机械工艺出版社．２００９．［１１］张军，吴美萍．大型风力机叶片有限元建模研究［Ｊ］．机械设计与制造工程，２０１３，（４）：２４－２７．［１２］李海波．风力机叶片静力测试与分析［Ｊ］．电网与清洁能源，２０１３，（４）：１００－１０４．［１３］程杰，袁祖强，陆金桂．基于Ａｂａｑｕｓ的大型风力机叶片有限元分析［Ｊ］．国防科技大学学报，２０１２，（５）：１４．１６．［１４］赵俊山，李军向．叶片主梁弯扭耦合设计研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００８，（６）：４８－５２．［１５］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）：１４．１７．［１６］黄小华，李德源．风力机叶片动力特性测试分析方法研究［Ｊ］．长江大学学报（自科版）理工卷，２００７，４（２）：９２－９４．［１７］张礼达，陈荣盛，张彦南，王旭．风力机风轮叶片动力特性分析［Ｊ］．电力科学与工程，２００９，２５（１１）：２４－２７．［１８］周展鹏，肖加余，曾竞成，王进，杨军．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，（２）：４６－５０．［１９］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．［２０］宗楠楠，董湘怀．小型风力机叶片强度的有限元分析［Ｊ］．太阳能学报，２０１０，（６）：７６４－７６８．’’量Ｉ。ＵＬＬ－ＳＣＡＬＥＳＩＩＡｒｌｌＣＴＥＳＴＡＡＬＹＳｉＳ０ＦＬＡＲＧＥＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＲｏＴｏＲＢＬＡＤＥ——ＷＡＮＧＣｈａｏ，ＬＩＪｕｎｘｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＳｈｉｑｉａｎｇ，ＤＩＮＧＳｕｏ（ＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎｅｒｏｔｏｒｂｌａｄｅｏｆ１．５ＭＷｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｆｉｎｉｔｅａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｇｒａｍｉｎｓｔａｔｉｃｔｅｓｔｃｏｎｄｉ－ｔｉｏｎ，ｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｖａｌｕｅｓｏｆｔｅｓｔ．Ｔｅｓｔｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｔａｔｉｃｔｅｓｔｏｆｂｌａｄｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ—ｗｉｔｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｖａｌｕｅｓｉｎｃｏｍｐｌｉａｎｃｅｗｉｔｈｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓｔｏｇｅｔａｐｐｒｏｖｅｄｂｙｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｇｅｎｃｙ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｄｅｓｉｇｎｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｂｙａｔｙｐｅｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｂｌａｄｅ；ｍｏｄａｌ；ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ；ｓｔｒａｉｎ讯