风力机叶片静力试验的有限元模拟方法研究.pdf

２０１４年第８期玻璃钢／复合材料４１风力机叶片静力试验的有限元模拟方法研究赵娜，高阳（中材科技风电叶片有限公司，北京１０２１０１）摘要：要使风力机叶片的试验结果与数值模拟结果的偏差满足ＧＬ规范规定的相应要求，那么数值模型与叶片的实际试验状态相吻合是很关键的。一般应用有限元软件进行叶片结构分析时，边界条件为约束叶片根部，而实际在进行静力试验时，叶片是安装在轮毂上，轮毂再与支座固定在一起的，而轮毂并非刚体，因此模型中应考虑其对试验结果的影响。本文结合某大型水平轴风力机叶片的试验结果和数值模拟分析，证实了在叶片模型中加轮毂这种修正方法是有效的。关键词：风力机叶片；轮毂；模态分析；相似三角形中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１４）０８００４１０３风力机叶片是风电设备中有效捕获风能的关键部位。在风电产业发展的初始阶段，国内大多数单位没有研发设计能力，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，一些有实力的叶片厂逐步组建自己的研发设计团队，致力于独立自主设计开发新型叶片产品。由于在摸索中前进，通过试验校核计算结果，通过计算预测试验现象，在这过程中难免遇到困难、挫折。之前通过有限元软件计算叶片的固有频率、最大叶尖挠度等与静力试验测得的结果对比，发现存在偏差。通过查找问题发现，在数值模拟时的边界条件为约束叶片根部，而试验中是将叶根约束在轮毂上，轮毂再与支座固定在一起的，而轮毂并非刚体，这样叶根并没有完全约束，而边界条件的改变会影响计算结果。为此在对有限元模型进行修正时，在轮毂中心到叶根段建立轮毂模型。用修正后的模型计算叶片的固有频率和叶尖挠度，与试验结果再次进行对比，发现结果有所修正，证实此方法有效。ＧＬ规范要求试验中出现的最大允许偏差为固有频率±５％，弯曲挠度－４－７％。１静力试验在静力试验时，叶片用螺栓安装在轮毂上，轮毂与支座固定在一起。静力试验过程是将试验载荷通过吊车施加在截面夹具上，通过控制吊车实现多点协调。在加载过程中，轮毂的变形会影响到频率、叶尖挠度的测试结果原有的有限元模拟方法是将叶根直接固支约束（即假定轮毂为刚体），然后施加载荷进行计算，这与真实的静力试验过程不符。由于有限元对边界的约束与真实试验的叶根约束存在差异，造成模拟结果与试验结果存在很大偏差。表１静力试验频率及叶尖挠度ＴａｂｌｅｌＮａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｉｃｔｅｓｔ项目数据一阶挥舞频率／Ｈｚ一阶摆振频率／Ｈｚ最大挥舞叶尖挠度／ｍＯ．９２１．４６８．Ｏ５表２不带轮毂时的有限元计算频率Ｔａｂｌｅ２ＥＦＭｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｘｃｌｕｄｉｎｇｈｕｂ一阶挥舞频率／Ｈｚ０．９８５一阶摆振频率／Ｈｚ１．６７２表３不带轮毂时的有限元计算频率与静力试验频率比较Ｔａｂｌｅ３ＣｏｍｐａｒｅＦＥＭｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｘｃｌｕｄｉｎｇｈｕｂａｎｄｓｔａｔｉｃｔｅｓｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ不带轮毂的有限元计算结果与静力试验值的偏差一阶挥舞频率／％一阶摆振频率／％２数值模拟试验过程鉴于叶根直接固支约束的有限元数值模拟方法与试验情况有所偏差，为了使模拟环境与真实环境贴切，需要在叶片根部加上一截轮毂。本文中轮毂为了简化建模，采用梁单元，并对其赋予轮毂的材料收稿日期：２０１３－０８－２０基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２０１２ＡＡ０５１３０２）；国家科技支撑计划（２０１２ＢＡＡ０１Ｂ０２）作者简介：赵娜（１９８４．），女，工程师，主要从事风力机叶片设计工作。ＦＲＰ／ＥＭ２０ｉ４：Ｎｏ：８４２风力机叶片静力试验的有限元模拟方法研究２０１４年８月属性。下面依托某大型风力机叶片的试验结果来介绍该方法。在试验过程中，在叶片根部安装激光器来测量轮毂的变形。在距叶根０＝６．７４４ｍ处立一木牌，通过激光点在木牌上的变化来记录轮毂的变形。叶片０位置时木牌上激光点的位置为距地面ｂ＝１７８．４ｃｍ，１００％载荷时木排上激光点的位置为距地面ｃ＝１８３．８ｃｍ，如图１所示。图１轮毂变形测量不意图Ｆｉｇ．１Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｌａｎｏｆｈｕｂ已知０＝６．７４４ｍ，ｂ到地面的距离为１７８．４ｃｍ，ｃ到地面的距离为１８３．８ｃｍ，由于、ｄ差别不大，可近似为等腰三角形。—ｃｂ昙：（１ｓｉｎ）———＝，根据上面的已知条件可求出０。在有限元模型中，在叶片根部的前面加上一段梁单元来模拟轮毂，使得叶片根部的转角０与０相同。将叶片载荷折算到叶根处，根据下列公式求得轮毂的刚度。＋（２）０＝０（３）式中，、、Ｆ已知，设定轮毂的材料属性为钢，因此，通过式（１）一式（３）可得到，值。２．１建模建立叶片的有限元模型，然后在轮毂中心至叶片根部建立轮毂，用梁单元表示，将轮毂的材料属性设置为钢材。在叶根与轮毂的结合处将其两部分黏接在一起。２．２边界条件叶片口十根坐标为０，轮毂沿礴由坐标为０到一Ｌ２１０ｍｍ，ＦＲＰ／ＣＭ８将约束建立在一１２１０ｒａｍ截面处，将静力试验过程中的实际载荷加载叶片模型上进行计算。３模态分析３．１理论依据通用运动方程：［］｛｝＋［ｃ］｛｝＋［Ｋ］｛｝＝｛Ｆ（）｝（４）假定自由振动并忽略阻尼：［］｛ｈ｝＋［Ｋ］｛／Ｚ｝＝０（５）其中，［］、［Ｋ］是叶片的质量和刚度矩阵；｛ｕ｝为节点位移向量。式（５）的解为如下简谐运动：｛Ｍ｝＝｛｝ｓｉｎｔｏｔ（６）∞式中，｛｝为模态形状（无量纲位移）；为圆频率。将式（６）代人式（５）得：（［Ｋ］一［Ｍ］）｛Ｕ｝＝｛０｝（７）方程式（７）中｛｝要有非０解，系数行列式为０，得：ｄｅｔ（［Ｋ］一Ａ［］）＝０（８）∞其中，Ａ＝，上述行列式为Ａ的多项式，有根……Ａ１，Ａ２，，Ａ。代入Ａ得方程：…（［Ｋ］一Ａ［Ｍ］）｛｝＝｛０｝，ｉ＝１，２，，ｎ（９）∞可以求得｛Ｕ｛，即模态．＝／２￣ｒ为系统固有频率。３．２有限元计算结果应用上面所建的带有轮毂的叶片有限元模型计算固有频率如表４所示。带有轮毂的模型有限元计算结果及静力试验值的偏差如表５所示。表４带有轮毂时的有限元计算频率Ｔａｂｌｅ４ＦＥＭｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ￣ｅｑｕｅｎｃｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｈｕｂ一阶挥舞频率／Ｈｚ０．９４３一阶摆振频率／Ｈｚ１．４４５表５带有轮毂的模型有限元计算结果与静力试验值的偏差Ｔａｂｌｅ５ＣｏｍｐａｒｅＦＥＭｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ￣ｅｑｕｅｎｃｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇ！！！！！！！堡ｇ竺！！带轮毂的有限元计算结果与试验值的偏差一阶挥舞频率／％一阶摆振频率／％２．５１．０３通过上面的比较可知，带轮毂模型的固有频率有限元模拟的结果得到了修正，满足ＧＬ规范的频率±５％要求，可见该修正方法的有效性。２０１４年第８期玻璃钢／复合材料４３４叶尖挠度分析同样用上面施加试验载荷后的有限元模型计算最大挥舞方向的叶尖挠度，然后与静力试验结果进行比较，见表６。表６数值模拟叶片挠度与静力试验结果比较Ｔａｂｌｅ６ＣｏｍｐａｒｅＦＥＭｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｔａｔｉｃｔｅｓｔｒｅＳＵＩｔ项目数据试验结果／ｍ带轮毂的模拟结果／ｍ带轮毂的模拟结果与试验值的偏差／％不带轮毂的模拟结果／ｍ不带轮毂的模拟结果与试验值的偏差／％８．０５８．５７６．４８．７８．１从表６中可知，不带轮毂的有限元计算结果与试验值的偏差为８．１％，超出ＧＬ规范挠度偏差小于±７％的要求，而带轮毂的有限元计算值得到了修正，与静力试验值的偏差满足ＧＬ规范的要求，可见该修正方法有效。５结论本文主要介绍了一种修正静力测试有限元模型的方法，对静力试验的有限元模拟方法进行了研究，在叶根与轮毂中心之问建立一段钢柱来模拟轮毂，通过改变边界条件来修正有限元模拟结果。通过上面的分析可得出如下结论：（１）该修正方法考虑了在静力试验状态下轮毂的变形对叶片固有频率、叶尖挠度的影响；（２）应用该方法模拟的最大挥舞方向的叶尖挠度与试验结果的偏差为６．４％，在ＧＬ规范允许范围内；（３）应用该方法模拟的叶片固有频率与试验值的偏差小于５％，满足ＧＬ规范的要求；（４）通过上面的计算结果验证了该修正模型的正确性和有效性。参考文献［１］李德源，叶枝全，等．风力机旋转风轮振动模态分析［Ｊ］．太阳能学报，２００４，２５（１）：７２＿７７．［２］Ｓ．Ｍ．Ｈａｂａｌｉ，Ｉ．Ａ．ｓａｌｅｈ．Ｌｏｃａｌｄｅｓｉｇｎ，ｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆ—ｓｍａｌｌｍｉｘｅｄａｉｒｆｏｉｌｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｅｓＰａｒｔＩ：Ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｂｌａｄｅａｎｄｒｏｏｔ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ＆Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０００，（４）：２４９－２８０．［３］Ｍ．Ｅ．Ｂｅｃｈｌｙ，Ｐ．Ｄ．Ｃｌａｕｓｅｎ．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎｏｆａＣｏｍｐｏｓｉｔｅＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＢｌａｄｅＵｓｉｎｇＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ＆ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９７，６３（３）：６３９－６４６．［４］Ｃ．Ｋｏｎｇ，Ｊ．Ｂａｎｇ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｖａｒｉｏｕｓｌｏａｄｃａｓｅｓａｎｄｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅｄｉ－ｒｅｃｔ，２００５，（３０）：２１０１－２１１４．［５］林海晨．风力机叶片的有限元建模［Ｊ］．绵阳师范学院学报，２００７，２６（８）：４３４７．［６］王应军，裴鹏宇．风力发电机叶片固有振动特性的有限元分析［Ｊ］．华中科技大学学报（城市科学版），２００６，２３（增刊２）：４４４６．［７］赵娜，李军向，等．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．［８］朱小芹，李军向，等．一种研究风轮叶片固有频率的方法［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（６）：６Ｉ８．［９］李成良，王继辉，等．基于ＡＮＳＹＳ的大型风力机叶片建模研究［Ｊ］．玻璃ＯＮ／复合材料，２００９，（２）：５２．５４．［１Ｏ］滕冬华，高克强．大型风力涡轮转子叶片增强材料应用现状及—发展趋势［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（６）：８１８５．［１１］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）：３５．３８．［１２］徐晓燕，颜鸿斌，等．风机叶片静载荷和模态测试技术［Ｊ］．宇航材料工艺，２０ｌ１，（２）：４３－４６．［１３］李海波．风力机叶片静力测试与分析［Ｊ］．电网与清洁能源，—２０１３，２９（４）：１００１０４．［１４］刘全，高伟，李春．兆瓦级海上风力机叶片设计及模态分析［Ｊ］．能源研究与信息，２０１２，２８（２）：１１１．１１５．［１５］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］．机械设计与制造，２０１２，（５）：１４．１５．‘’’’ＳＴＵＤＹＵＮｒｌＨＥＥＭＳＩＭＵＬＡＩ１．Ｌ，Ｎ０ＲＴＨＥＳＴＡＴＩＣＴＥＳＴＯＦＷｌＮＤＴＵＲＢｌＮＥＢＬＡＤＥＺＨＡＯＮａ，ＧＡＯＹａｎｇ（ＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｏｍａｋｅｔｈｅｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｃｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆＧＬｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｔｃｈｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｓｔａｔｉｃｔｅｓｔｉｓｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ，ｗｈｅｎｗｅｄｏｔｈｅｂｌａｄｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｏｎｔｈｅｂｌａｄｅ—ｒｏｏｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎｔｈｅｓｔａｔｉｃｔｅｓｔ，ｔｈｅｂｌａｄｅｉｓｍｏｕｎｔｅｄｏｎｔｈｅｗｈｅｅｌｈｕｂ，ｗｈｅｒｅｔｈｅｈｕｂａｎｄｂｅａｒｉｎｇａｒｅｆｉｘｅｄｔｏｇｅｔｈｅｒ．Ａｎｄｔｈｅｈｕｂｉｓｎｏｔｒｉｇｉｄ，ＳＯｔｈｅｍｏｄｅｌｓｈｏｕｌｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｔｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ．ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｔａｋｅｓＭＷｂｌａｄｅａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｅｓｔａｔｉｃｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓａｎｄＦＥＭｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｃｏｎｆｉｒｍｓｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ；ｗｈｅｅｌ；ｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｉｍｉｌａｒｔｒｉａｎｇｌｅｓ，ＥＭ２０ｉ４ｉＮｏｉ８