750mw风机叶片有限元建模与仿真

750mw风机叶片有限元建模与仿真

1大型叶片结构模型的建立随着世界原油价格的持续上涨，新能源的开发和使用越来越受到重视。2007年4月，国家发改委发布了《能源发展“五”计划》。明确规定了重点开发资源潜力大、技术基本成熟的能源发电、生产能力发电、生产能力装置和太阳能利用等可能源能源。目前，中国有很多制造商生产风力发电设备。刀片作为风力机的重要部件之一，是风力机探测风能和转化能量的重要组成部分。但是国内生产叶片的厂家以引进国外技术进行制造为主,对大型叶片的结构分析与研究还处于起步阶段。由于叶片结构复杂,且当前的主流叶片都是在中间加设主梁和腹板的大型空心叶片,所以叶片模型的建立多是采用专门开发的软件,或采用三维建模软件与ANSYS结合起来建模的方法。而本文的建模则是在ANSYS软件上直接实现的,真实地模拟了叶片的模型,为叶片的动力学特性和结构强度分析做了准备性工作,对其他大型叶片模型的建立也有一定的参考价值。2风机叶片的气动性能叶片实体模型在ANSYS中采取自下而上的方式建立,模型建立前首先要确定叶片的翼型,翼型的形状直接影响叶片的气动性能。风机叶片的翼型是叶片在其展长方向上某一位面的轮廓线,翼型一般是瘦长形状,其前部较厚且有小圆弧状的前缘,而其后部较薄且有一较尖的后缘,如图1所示。为方便建模,根据750kW叶片翼型的特点,将叶片划分为44段,共有45个截面,建立每个截面的关键点,将关键点连接成线,然后连接相应的线成面,实现叶片的实体建模。2.1翼型的轮廓线叶片截面的翼型数据可以通过Profili软件得到,获得截面的关键点坐标以后,通过命令流的形式建立关键点(如图1所示),数据格式如下:K,1,6.12E+02,0.00E+00,-750K,2,5.99E+02,1.24E+02,-750……K,1152,327.65,-74.05,-24000翼型截面关键点建立以后,将每个截面的30个点分为6组,通过主菜单→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→SplinethruKPs建立6条曲线,即可得到翼型的某一轮廓线,如图2所示。在叶片的每两个翼型截面之间,以轮廓线上的曲线端点为关键点建立6条纵向直线,将叶片上所有的翼型轮廓线通过纵向直线连接起来。2.2建立曲面模型叶片翼型截面轮廓线共有45个,每两个截面间的曲线和直线都是对应的,因此通过主菜单→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→ByLines可以在对应的线段之间建立曲面,每两个翼型截面之间都有6个曲面,将所有的曲面建立完毕后即可得到整个叶片的实体模型,如图3所示。由于该叶片为空心结构,为了增加强度,在叶片中间加设主梁和腹板,主梁是以玻璃纤维粗纱为增强材料的预成型件,其宽度沿着展长方向递减,而厚度则是沿着展长方向先增大然后逐渐减小,腹板是等厚渐窄的夹芯结构预成型件。在模拟主梁时,将主梁在叶片上的区域按其形状单独分开,通过实常数赋值实现模拟。而腹板是在叶片的上下面内建立曲线,在上下对应的曲线之间通过主菜单→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→BySkining建立腹板面来连接叶片的上下面,应用ANSYS中夹芯单元实现腹板的模拟。3叶片有限模型的构建3.1电池铺层结构的实常数在ANSYS中,可用于模拟复合材料铺层结构的单元类型有SOLID46、SHELL91、SHELL99、SHELL181和SOLID191五种单元。根据叶片层合板的特点采用SHELL91和SHELL99两种类型单元模拟,SHELL91可以模拟具有夹芯结构的层合板,允许输入的复合材料多达100层;而SHELL99可以模拟非夹芯结构层合板,允许输入的复合材料多达250层。应用SHELL91模拟夹芯结构时,使单元参数KEYOPT(9)=1,以此声明该结构为夹芯结构,同时使KEYOPT(5)=1以获得中间层最精确的结果。SHELL91单元还可以对同一个节点定义两种材料属性。为使分析更加准确,要根据叶片的实际结构通过设置单元参数KEYOPT(11)来确定节点外置,见图4。如果节点中置(KEYOPT(11)=0),则会影响计算结果,尤其是对叶片的弯曲应力和扭转刚度影响较大。为了使计算结果合理准确,ANSYS在选定SHELL91的夹芯结构功能时附加了一些限定条件:(1)夹芯与整个夹芯复合板的厚度比值最好≥5/6,但必须≥5/7,如图5所示;(2)蒙皮与夹芯杨氏模量得到比值最好在100～10000范围内,但必须在4～1000000内;(3)在弯曲载荷作用下的曲率半径与夹芯复合板厚度的比值最好≥10,但必须≥8。风机叶片的主梁和蒙皮采用非等厚度复合材料铺层结构,如图6所示。在叶根处的复合材料铺层高达100多层,厚度也达到最大值,从叶根开始沿展长方向蒙皮厚度先减小后增大,在叶片中间保持不变,趋于叶尖时蒙皮厚度逐渐减至最小值,而在前后缘的蒙皮增强部位,也是非等厚度复合材料铺层结构。因此为了模拟叶片的实际铺层结构,根据蒙皮的不同厚度划分区域,设置了不同的实常数,每个实常数都包括相应的材料性能参数、铺层角和铺层厚度。本例在统计完叶片的实际铺层后做了部分简化,一共设置了100多个实常数,每个实常数都是对应于不同区域。3.2叶片有限元模型在划分叶片网格时,将SHELL91和SHELL99与实常数相结合来实现对叶片实际铺层结构的模拟,通过主菜单→Preprocessor→Meshing→MeshTool进行网格划分,划分时采用映射与自由划分的方式来控制网格的精度。在模拟过程中,采用了两种实常数赋值法,即面赋值法和单元赋值法。所谓面赋值法,就是在划分网格时,将实常数赋值于要划分网格的面上,例如叶根、主梁、腹板等结构,通过此法就可以很容易地实现铺层的模拟;而单元赋值法,就是在划分网格时定义单元的尺寸,网格形成以后通过主菜单→Preprocessor→Modeling→Move/Modify→Elements→ModifyAttrib改变单元的实常数属性。例如在前后缘的增强部位,通过此法可实现对增强铺层的模拟。为减轻叶片的重量,在叶片的主梁两侧、前缘和后缘上使用了大量的夹芯结构。夹芯结构由蒙皮和夹芯材料组成,夹芯结构的使用降低了叶片成本,增强了叶片的局部抗弯和抗剪能力,并使整个叶片达到轻质高强。利用SHELL91(KEYOPT(9)=1)来模拟叶片的夹芯结构进行网格划分时,在前缘部位存在一些单元因不能满足夹芯结构的限定条件而无法进行求解计算,但由于叶片的外形和前缘曲率已经确定,故将这些不满足要求的单元用不带夹芯结构的SHELL91(KEYOPT(9)=0)来模拟,虽然这会对结果产生偏差,但这种偏差在允许范围。将叶片的网格全部划分完成以后,叶片的有限元模型也就建好了,对建好的有限元模型施加边界条件和各种工况载荷,就可研究叶片的强度、刚度、振动频率和疲劳寿命等结构性能,以完成对叶片的结构分析和设计研究。图7所示为叶片的某一截面结构图。图8所示为叶片的有限元模型。4u2004建模前处理叶片的有限元建模是一个非常复杂的过程,为了方便模型的创建和修改,本文在叶片建模时采用了参数化设计语言(APDL),应用了APDL的循环特性,极大地节省了建模时间,提高了工作效率。虽然本文所创建的模型真实地反映了叶片的外形和实际铺层结构,为叶片的设计与研究做了铺垫,但是在有限元的前处理阶段耗费了大量的时间,为了更进一步