复合材料风电叶片有限元建模和屈曲稳定性分析.pdf

　４　复合材料风电叶片有限元建模和屈曲稳定性分析　　２０１４年１月　　　复合材料风电叶片有限元建模和屈曲稳定性分析　　　　薛彩虹，李军向，王超，鲁晓锋　　　　　（中材科技风电叶片股份有限公司，北京１００１９２）　　摘要：本文以４０ｍ水平轴风电叶片为研究对象，分析了叶片的结构构型和载荷情况，阐述了运用ＦｉｂｅｒＳＩＭ、ＣＡＴＩＡ和有限　　　元软件对复合材料风电叶片的有限元建模方法，并对其进行了结构稳定性分析。分析结果表明，叶片结构具有良好的抗屈曲　　　　　　　　　破坏能力，满足ＧＬ规范的要求，叶片的铺层和结构设计合理。　关键词：风电叶片；有限元分析；稳定性　　　　　———　中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＫ８３文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０１０００４０４　　　风能是一种清洁的可再生能源，它能解决日益　　　　严重的能源危机，改善生态环境，并日益受到人们的　　　普遍重视。从全球风力发电的现状和趋势来看，风　　　　电装机容量逐年上涨，考虑到风力发电的环保性和　　…　可操作性，风力发电还有巨大的发展空间。叶片　是风机的主要部件之一，也是受力最为复杂的部件，　　　　　　叶片费用占到风机总生产费用的１５％～２０％，而复　　　　　合材料具有比强度、比刚度高、重量轻、可设计性强、　　　承力性能好等特点。Ｊ，因此如何设计具有良好空　气动力性能的叶片并降低整机重量，是风电机组高　　效利用风能和提高经济效益的关键Ｊ。　　　　　复合材料风机叶片是风力发电系统的关键部　　　件，具有很强的可设计性，由于叶片材料铺层和结构　　　　设计非常复杂，且其直接影响着整个系统的性能，而　　　　且叶片是最容易出现故障的部位ｊ，单纯的经典理　　　　论解析计算难以精确计算出叶片的强度、刚度以及　保证叶片的局部和整体稳定，而有限元仿真能够准　　确地模拟叶片整体和局部的强度、刚度，是现代结构　　　设计及常用的分析方法Ｊ。本文首先采用ＦｉｂｅｒｓＩＭ　　　软件进行分段铺层，然后采用ＣＡＴＩＡ进行网格划　　　　分，将网格导人有限元软件，合并网格与铺层进行有　　　　限元建模，最后采用整体加载方式验证叶片各截面　的屈曲稳定性。　　１叶片的结构形式　蒙皮和主梁是叶片最主要的两部分。叶片上大　部分的弯曲载荷由主梁承担，蒙皮起气动作用并且　承担部分弯曲载荷和大部分的剪切载荷，其中弯曲　　　　　　载荷大约为总载荷的２０％一３０％。由于叶片所承　　受的弯曲和疲劳载荷非常大，因此在靠近叶根的区　域要求蒙皮结构要有足够的刚度，该区域常采用厚　　　　的翼型结构；由于对气动性能的要求比较高，所以在　靠近叶尖的区域常采用薄的翼型。在蒙皮的制作过　程中，常常铺设一层复合材料双轴布，这样可以提高　蒙皮的剪切强度，减少铺层之间的剪应力，改善铺层　　　　　的受压稳定性、抗冲击性能和连接孔的强度，蒙皮采　　　　　用夹芯结构，夹芯材料由Ｂａｌｓａ木和ＰＶＣ泡沫构成，　　以提高叶片的抗屈曲失稳能力。我们一般采用的主　　　　梁结构形式如图１所示，它由梁帽和腹板组成。梁　　　　帽是叶片的主要承载力部分，承担弯曲载荷；腹板支　持梁帽并提高叶片的刚度，防止失稳。　　　图１叶片的截面结构　　　２叶片有限元模型的建立　　对图２所示的几何结构，首先使用ＣＡＴＩＡ对几　　　何结构进行区域划分，划分好的区域一定要保证　　曲线闭合并将曲线投影到所割区域面上。然后使用　　ＣＡＴＩＡ进行网格划分时，采用映射与布种子的方式　　　来控制网格的精度，其中单元类型主要以四边形　为主。在相同的边界线上要布同等数量的种子，划　　分网格的原则是必须保证四线共一点，一般情况下　　　　　　两个种子的距离为８０ｒａｍ左右即可，在叶尖部分种　　　　　子数目和大小可以灵活变化，只要保证有最少的畸　　　收稿日期：２０１３－０３－２０　　　　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：薛彩虹（１９８６一），女，硕士，主要从事风轮叶片结构设计和分析等相关工作。　Ｐ／ＣＭ　、４．Ｎｏ．１　　　２０１４年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　５　形单元就可以。　　　　采用ＦｉｂｅｒＳＩＭ【ｌｏｌ软件进行分段铺层，铺层的方　　　向是从叶根指向叶尖，朝向叶根方向的点作为原点，　　　　　　铺层的材料类型、多少以及角度可以根据设计要求　　　　来确定，其中结构设计的成败取决于铺层设计的优　劣。铺层设计一般包括两个方面：总体铺层设计和　　　局部细节铺层设计。前者要满足总体静、动强度和　　　气动弹性要求，后者应满足局部强度、刚度和其它功…　　能要求。　　　最后，将网格导人有限元软件，合并网格与　　铺层进行有限元建模，得到叶片的有限元模型。该　　　　模型节点数为５９９３４，高精度单元个数为６１２０２个。　　２．１边界条件　　　叶片与轮毂相连，在结构分析中将其简化为悬　臂梁模型，对叶片根部进行固定约束。静强度分析　　　和叶片稳定性分析时边界条件如图２所示。　　　图２叶片根部约束　　２．２载荷类型　　　　目前国内外风电行业中存在的载荷计算软件有　　　　　ＧＨＢｌａｄｅｄ、ＦＯＣＵＳ、ＦＡＳＴ和Ｆｌｅｘ等，由于各个主机　厂采用的计算软件不同，导致输出的叶片载荷因使　　　　　用坐标系的不同各有差异，而在叶片结构分析中正　　　　确施加载荷至关重要。在载荷计算及结构分析中，　　我们所使用的坐标系为ＧＬ规范所定义的桨矩轴坐　　　　标系和弦长坐标系，如图３和图４所示。　　　图３桨矩轴坐标系　　　图４弦长坐标系　　　　桨矩轴坐标系（Ｐｉｔｃｈｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ，简称　　　　　　Ｐｓ）是以０。扭角截面弦长为参考，固定在叶片截面　　　　的坐标系，如图３所示。　　　其中，原点为截面弦长与叶片桨距轴的交点；Ｘ　　　　方向为ｘ、Ｙ、ｚ遵循顺时针法则；Ｙ方向始终与０。扭　　　角截面弦长平行；Ｚ方向为沿桨距轴方向；相对运动　　　　　状态相对于单个翼型截面固定，不随截面扭角的变　　　　　　　　　　　　　化而变化，随着变桨绕ｚ轴转动，随风轮旋转而　　旋转。　　　　弦长坐标系（Ｃｈｏｒｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ，简称ＣＳ），　　是以截面弦长为参考，固定在每个翼型截面弦长上　　　的坐标系，如图４所示。　　　　其中，原点为截面弦长与叶片桨距轴的交点；Ｘ　　　　方向与弦长垂直，ｘ、Ｙ、ｚ遵循顺时针法则；Ｙ方向为　　沿弦长方向指向后缘；Ｚ方向为沿桨距轴方向；　　相对运动状态相对于每个翼型截面而固定，相　　　对于整个叶片随扭角的变化而变化，随着叶片的变　　　　桨而绕ｚ轴转动，随风轮旋转而旋转。　通常主机厂提供给我们的载荷都是弦长坐标系　　　下的，而在叶片结构分析时，通常需要进行ＦＥＡ分　　析，而施加载荷的最佳坐标系为桨矩轴坐标系，此时　　载荷不随叶片姿态变化而发生改变。因此需要将弦　　长坐标系载荷转化为桨矩轴坐标系载荷，从而避免　建立繁多的弦长坐标系。　　　３屈曲稳定性分析　屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳　定性，以及确定结构失稳的临界载荷，要求叶片的最　　　　大载荷低于临界载荷，它包括线性屈曲和非线性　　　　ＦＲＰ／ＣＭ２ｏ１４ｉＮｏ１　６　复合材料风电叶片有限元建模和屈曲稳定性分析　　２０１４年１月　屈曲分析。线性屈曲是以小位移小应变的线弹性理　论为基础的，分析中不考虑结构在受载变形过程中　　　　结构构形的变化，也就是在外力施加的各个阶段，总　　是在结构初始构形上建立平衡方程。当载荷达到某一　临界值时，结构构形将突然跳到另一个随遇的平　　　衡状态，称之为屈曲。临界点之前称为前屈曲，临界　点之后称为后屈曲。屈曲稳定性分析的意义就是为　　　　进一步优化结构提供依据。屈曲稳定性分析与　　　　　　　静力分析相似，叶片的线性屈曲分析采用Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ进行整体加载，加载的载荷为桨矩轴坐标系　　　下的，通过计算得到各工况的整体屈曲分析结果如　　表１所示，具体失稳屈曲见图５～图８。　　　表ｌ屈曲分析结果　ｆＩ‘…】…　…　　…＃０一　神　＾　…州　　……　　　　　｜４柚‘　ＪＨ…　　＿Ｌ．……　　＾　器　　　…　　　　嚣帅抽．．川　　图５ｍｘｍａｘ工况整体屈曲分析结果　ｚ…一　…一…ｏｌ　…　　…　　　…Ｉ４ｔ……　Ｌ３　　　｝．釜譬釜０＝＝＝＝……　　　图６ｍｘｍｉｎ工况整体屈曲分析结果　　譬；囊㈣～“…＂ｂ－…０　…　　＇曲　－………Ｉ　　　…１５：０，０＃ｒ●’　ｚ０　　　卜溉，０’　　…＂ｂ帅　　　　　山埘　　十ｔ　・　　图７ｍｙｍａｘ工况整体屈曲分析结果　，■　　。　　■　　｜　融设ｌ，Ｃ嗫｜ｌ　　　聋熬…０ｎ　Ｈ……ｒ　Ｊｕ…ｌ１　　　　Ⅶ　　ｄｌ…　…ｑ●　　　１ｍ，¨　Ｉ＿¨　　…ｍｔＭ…　ｌ　ｒ　　　　口一，　　…吼州　　　…ｌ｜Ｉ　　　ｌ＿ｈ¨　　’　　　　Ｈ忡ｒｔＨ　　图８ｍｙｍｉｎ工况整体屈曲分析结果　　　在以上四种工况下，所有的屈曲因子都满足ＧＬ　　　　　　规范要求巧，表明在给定的条件下，结构不会发生　　　　　屈曲失稳，所以不用再进行非线性屈曲分析。　　　４结论　　本文分析了复合材料风电叶片的结构构型和载　　　　　荷情况，阐述了复合材料风电叶片划分网格和铺层　　　　的有限元建模方法，建立了有限元建模并进行了稳　　　定性分析。计算结果表明，该叶片结构形式具有良　　好的抗屈曲破坏能力，满足ＧＬ规范要求，铺层设计　和结构设计都合理。　参考文献　　　　　　　［１］李成友，周光明，黄再兴．３４复合材料风力发电机组叶片屈曲有　　　　限元分析［Ｊ］．风机技术，２００８，（５）．　　　　　　—　［２］ＧｅｏｒｇｅＭ．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＨｅｌｐＩｍｐｒｏｖｅＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＢｒｅｅｄ［Ｊ］．Ｒｅｉｎ　　ｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ，２００５，４９（４）：１８－２２．　　［３］肖加余，曾竞成等。航天主结构复合材料及其软模辅助ＲＴＭ成　　型工艺［Ｊ］．航天返回与遥感，２００７．　　　　　　［４］彭超义，曾竟成等．铺层方式对碳／环氧管层间剪应力影响的有　限元分析［Ｊ］．国防科技大学学报，２００５．　［５］薛正福．风力机适应性叶片的参数化建模与有限元分析［Ｄ］．内　蒙古：内蒙古工业大学硕士学位论文，２００９．　　　　　　［６］杨昌达．风力机叶片之研究［Ｊ］．新能源，１９９５，１７（１０）：１９－２４．　　　　　　　［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．　　　　［８］李明志，盛选禹．ＣＡＴＩＡ有限元划分网格教程［Ｍ］．北京：机械工　　业出版社，２００９．　　［９］李成良，王继辉等．基于ＡＮＳＹＳ的大型风机叶片建模研究［Ｊ］．　　玻璃钢／复合材料，２００９．　　　　　　［１０］ＭｉｎｎａｎＦｅｉ．ＦｉｂｅｒＳｉｍＵｓｅｒＭａｎｕａｌ［Ｒ］．Ｋａｎｓａｓ：ＴｈｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ　Ｋａｎｓａｓ．　　［１１］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］．保定天威风电叶片有限公司．　［１２］石亦平，周玉蓉等．ＡＢＡＱＵＳ有限元实例详解［Ｍ］．北京：机械　　工业出版社，２００３．　［１３］李成良，陈淳．风力机叶片的结构分析与铺层优化设计［Ｊ］．玻　　　２０１４年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　７　　　璃钢／复合材料，２００９．　　　　　　　　　［１４］李彦蓉．风力发电机叶片结构有限元分析［Ｄ］．保定：华北电力　　　　　　大学硕士学位论文，２０１１．　　　　　　　　［１５］ＧｅｒｍａｎｉｓｅｈｅｒＬｌｏｙｄ．ＧｕｉｄｅｌｉｎｅｆｏｒｔｈｅＣｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＷｉｎｄＴｕｒ－　　　　　ｂｉｎｅｓ［Ｍ］．ＲｕｌｅｓａｎｄＧｕｉｄｅｌｉｎｅｓＩｎｄｕｓｔｒｉａｌｓｅｖｉｅｅｓ，２０１０．５－２１（５．　５．３．２．３）．　　　　　　　Ⅱ　　　ＦＩＮＩＴＥＥＬＥＭＥＮＴＭｏＤＥＬＩＮＧＡＮＤＢＵＣＫＬＩＮＧＳＴＡＢＩＴＹＡＮＡＬＹＳＩＳ　　　　　　　ｏＦＣＯＭＰｏＳＩＴ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