大型风力机叶片腹板根部形状研究.pdf

２０１５年第２期玻璃钢／复合材料４３大型风力机叶片腹板根部形状研究赵娜，朱小芹，李成良（中材科技风电叶片有限公司，北京１０２１０１）摘要：叶片腹板根部形状不同，造成腹板应力分布也不同，特别是对于薄弱部位还可能因为应力叠加引发叶片破坏。本文主要研究不同腹板根部形状对腹板根部危险区域应力分布的影响，并将腹板根部切除形状的比例系数定义为ｃ型结构形状因子Ｆ，然后对ｃ型结构形状因子分为三种情况进行讨论，结合有限元分析结果和现场的挂机结果，确定腹板根部的最优形状。关键词：Ｃ型结构形状因子；应力；有限元分析中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１５）０２００４３０４叶片是风力机有效捕获风能的关键部位。在风电产业发展的初始阶段，国内大多数企业没有研发设计能力，依靠购买国外的许可证来生产叶片。随着国家对新能源产业的大力支持，一些有实力的企业逐步组建自己的研发设计团队，叶片设计也由技术引进向自主研发迈进，并取得了丰硕的成果。但是在腹板根部结构形状方面没有进行深入的研究，导致某些型号叶片在风场运行一段时间后，出现腹板根部粘接胶失效、玻璃钢破坏等情况，进而诱发叶片其他部件的破坏。由于腹板根部切除的形状不同，腹板根部的受力情况也不同，因此需要对腹板根部的结构形状进行研究。本文以２．０ＭＷ某叶片有限元模型为基础，建立三种不同腹板根部形状的有限元模型，通过有限元模拟结果和风场反馈的信息，确定腹板根部形状的最优方案。１Ｃ型结构形状因子Ｆ影响腹板根部危险区域应力分布的关键因素为腹板根部切除的形状，于是将腹板根部切除形状的比例系数定义为Ｃ型结构形状因子Ｆ，即Ｆ＝ａ／ｂ，如图１所示。Ｆ为０５Ｆ为１Ｆ为０图１腹板根部形状因子ＦＦｉｇ．１ＦｏｒｍｆａｃｔｏｒＦｏｆｗｅｂｒｏｏｔ本文针对ｃ型结构形状因子，对腹板根部结构和叶片结构的影响进行研究，确定腹板根部的最优形状。２有限元模型本文以２．０ＭＷ的某叶片模型为基础进行有限元分析。首先建立形状因子Ｆ＝０．５的有限元模型。具①体做法为：应用３Ｄ制图软件建立叶片的三维模②型；应用网格划分软件进行叶片的各部件网格划分，将划分好的网格导入有限元软件中进行部件组③合、合并自由边等工作，形成叶片网格模型；通过铺层软件将叶片的铺层信息映射到三维模型上并输④出铺层文件；将铺层文件导入网格模型，形成叶片的有限元模型，建模过程结束。按照上面的方法，分别建立Ｆ＝１．０和Ｆ＝０的叶片有限元模型。对３个不同腹板根部状态的叶片模型施加相同的载荷，即最大挥舞方向载荷Ｍｙｍａｘ和最小摆振方向载荷Ｍｘｍｉｎ，之后对计算结果进行分析。腹板的校核主要分为腹板与蒙皮粘接处剪力、腹板根部Ｃ口处应力两部分，如图２所示。图２示意说明图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍ—收稿日期：２０１４０７．２２基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２０１２ＡＡ０５１３０２）和国家科技支撑计划（２０１２ＢＡＡ０１Ｂ０２）作者简介：赵娜（１９８４一），女，工程师，主要从事叶片设计及校核工作。∞＿穗囊｜４６大型风力机叶片腹板根部形状研究２０１５年２月［１５］周俊旭．大型风力发电机复合材料叶片研制探索［Ｊ］．第十五届玻璃钢／复合材料学术年会论文集，２００３，Ｅ．２０．［１６］张军，吴美萍．大型风机叶片有限元建模研究［Ｊ］．机械设计与制造工程，２０１３，（４）：２４２７．［１７］ＧｅｒｍａｎｉｓｅｈｅｒＬｌｏｙｄ．ＧｕｉｄｅｌｉｎｅｆｏｒｔｈｅＣｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＷｉｎｄＴｕｒ－—ｂｉｎｅｓ［Ｍ］．ＲｕｌｅｓａｎｄＧｕｉｄｅｌｉｎｅＩｎｄｕｓｔｒｉａｌｓｅｖｉｃｅｓ，２０１０．２００２０８（５．５）．［１８］沃丁柱，等．复合材料大全［Ｍ］．北京：化学出版社，２０００．’’’’’ＲＥＳＥＡＲＣＨｏＴＨＥＳＨＡＰＥ量０ＲＷＥＢＲ００Ｉ０重ＬＡＲＧＥＷＩＤＩＵＲＢＩＮＥＲｏＴｏＲＢＬＡＤＥ——ＺＨＡＯＮａ，ＺＨＵＸｉａｏｑｉｎ，ＬＩＣｈｅｎｇｌｉａｎｇ（ＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｏｔｓｈａｐｅｏｆｓｈｅａｒｗｅｂ，ｒｅｓｕｌｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｗｅｂ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｆｏｒｔｈｅｗｅａｋｐａｒｔｓｍａｙｂｅｃａｕｓｅｄｂｌａｄｅｄａｍａｇｅｄｕｅｔｏｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｅｂｒｏｏｔｓｈａｐｅｏｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄａｎｇｅｒｏｕｓａｒｅａ．Ｂｙｃａｌｌｉｎｇｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｗｅｂｒｏｏｔｅｘｃｉｓｉｏｎ——ｓｈａｐｅｔｏＣｔｙｐｅｆｏｒｍｆａｃｔｏｒＦ，ｔｈｅｐａｐｅｒｕｓｅｓｔｈｒｅｅｗａｙｓｔｏｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅＣｔｙｐｅｆｏｒｍｆａｃｔｏｒ．Ｂｙｃｏｍｂｉｎｅｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅｂｅｓｔｓｈａｐｅｏｆｗｅｂｒｏｏｔｗａｓｆｉｎａｌｌｙｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｔｙｐｅｆｏｒｍｆａｃｔｏｒ；ｓｔｒｅｓｓ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ（上接第５９页）’ＴＨＥＣｏＲＲＩＳＩｏＮＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥＳＴＵＤＹＯＦＩＳＯ－ＰＨＴＨＡＬＩＣ＆ＴＥＲＥ－ＰＨＴＨＡＬＩＣＰｏＬＹＥＳＴＥＲＲＥＳＩＮＳＩＮＡＬＣｏＨ０ＬＣｏＮＴＡＩＮＧＧＡＳｏＬＩＮＥＥＮＶＩＲｏＮＭＥＮＴ———ＪＩＮＬｉｘｉｎ，ＰＥＮＧＪｉｍｅｉ，ＹＵＨａｏ，ＬＶＪｉｎｙａｎ（ＲｅｉｃｈｈｏｌｄＴｒａｄｉｎｇ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１７６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｄｕｔｙｏｆａｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｎｉｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒｉｔｓｉｎ－ｔｅｎｄｅｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｂｕｔｏｆｔｅｎａｎｏｔｈｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｉｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅａｅｓｔｈｅｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｈｉｃｈａｒｅｓｏｍｅｔｉｍｅｓａｐｒｏｂｌｅｍｔｏａｃｈｉｅｖｅｗｉｔｈｈｉ【ｇｈｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔｒｅｓｉｎｏｆａｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｎａｔｕｒｅ．Ｒｅｄｕｃｅｄｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔｒｅｓｉｎｓｗｉｌｌｐｒｏｖｉｄｅｉｍｐｒｏｖｅｄｇｌａｓｓｗｅｔｔｉｎｇａｎｄａｅｓｔｈｅｔｉｃｓ，ｂｕｔｔｈｅｓｅｒｅｄｕｃｅｄｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔｐｏｌｙｍｅｒｓｍａｙｎｏｔｈａｖｅｔｈｅｓａｍｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｓｔｈｅｉｒｈｉｇｈｅｒｗｅｉｇｈｔｃｏｕｎｔｅｒｐａｒｔｓ．Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，Ａ２：１（２ｍｏｌｅｓｏｆｍａｌｅｉｃ：１ｍｏｌｅｏｆｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｉｃ：３ｍｏｌｅｓｏｆｐｒｏｐｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏ１）ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｉｃｂａｓｅｄｐｏｌｙｍｅｒａｎｄａ２：１（２ｍｏｌｅｓｏｆｍａｌｅｉｃ：１ｍｏｌｅｏｆｉｓｏｐｈｔｈａｌｉｃ：３ｍｏｌｅｓｏｆｐｒｏｐｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏ１）ｉｓｏｐｈｔｈａｌｉｃｂａｓｅｄｐｏｌｙｍｅｒｗｉｔｈＭｗｖａｌｕｅｓｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｆｒｏｍ６０００ｔｏ２０，０００ｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｗｈａｔｉｓｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍＭｗｖａｌｕｅｒｅｑｕｉｒｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙＣＯ１ＴＯＳｉＯＮｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｇａｓｏｈｏｌｂｌｅｎｄｓｗｉｌｌｂｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎｄａｔａｗｉｌｌｂｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｏｒｔｈｅｖａｒｉｏｕｓ—Ｍｗｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｔｗｏｐｏｌｙｍｅｒｔｙｐｅｓ．Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｒｅｔｅｎｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｉｃｂａｓｅｄｐｏｌｙｍｅｒｓｈａｓａｂｅｔｔｅｒａｎｔｉｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙｔｈａｎｉｓｏｐｈｔｈａｌｉｃｂａｓｅｄｐｏｌｙｍｅｒｓｉｎｇａｓｏｌｉｎｅａｌｃｏｈｏｌｂｌｅｎｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｉｃｐｏｌｙｍｅｒ；ｉｓｏｐｈｔｈａｌｉｃｐｏｌｙｍｅｒ；ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｇａｓｏｌｉｎｅｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋ；ｇａｓｏｌｉｎｅａｌｃｏｈｏｌ—ｂｌｅｎｄｓ；ＦＲＰ；ｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔ；ａｎｔｉｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｎＦＲＰ／ＣＭ２０ｌ５．Ｎｍ２