3MW风力机玻璃钢叶片有限元分析论文.docx
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3MW风力机玻璃钢叶片有限元分析论文
目录
中文摘要--------------------------------------------------------1
英文摘要--------------------------------------------------------2
1.绪论---------------------------------------------------------3
2.风力机叶片的的建模-------------------------------------------4
2.1叶片长度和数目的确定-------------------------------------4
2.2叶片翼型的选择-------------------------------------------5
2.3叶片弦长和安装角的计算-----------------------------------5
2.4Solidworks建模-------------------------------------------7
3.模态分析-----------------------------------------------------11
3.1模态分析的定义-------------------------------------------11
3.2模态分析的作用-------------------------------------------11
3.3风力机叶片模态分析概述-----------------------------------11
3.4叶片模态分析过程-----------------------------------------12
3.5模态结果分析---------------------------------------------14
4.流固耦合分析-------------------------------------------------15
4.1流固耦合分析概述-----------------------------------------15
4.2流固耦合控制方程-----------------------------------------15
4.3流固耦合分析方法-----------------------------------------16
4.4风力机叶片流固耦合分析过程------------------------------17
4.4.1几何模型处理（A：
Geometry）----------------------17
4.4.2流场网格划分（B：
Mesh）--------------------------18
4.4.3流体分析（C：
CFX）-------------------------------20
4.4.4MechanicalAPDL结构静力分析---------------------25
结论------------------------------------------------------------30
谢辞------------------------------------------------------------31
参考文献--------------------------------------------------------32
3MW风力机玻璃钢叶片有限元分析
摘要：
通过Profili软件导出翼型，再由Solidworks软件对3MW风力机叶片进行三维实体建模，然后基于ANSYS和Workbench分别对其进行模态分析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的结构静力分析部分也使用到了ANSYSMechanicalAPDL。
其中模态分析结果表示：
叶片的振型以摆振和弯曲为主，前三阶模态频率分别为0.34Hz、1.1419Hz、1.7293Hz，能顺利的避开外在激励频率，避免了共振现象的发生。
流固耦合分析对额定风载进行了数值模拟仿真，通过结构静力分析，对叶片的受力，变形情况有了一个基本的了解，其中叶片在额定风载情况下的最大应力为56MPa，远远低于其实测拉伸强度的720MPa。
在11级风载下的应力云图显示其所受的最大应力为83.8MPa，满足其材料的强度要求。
该分析对进一步的疲劳分析和优化设计等提供了参考和依据。
关键词：
风力机叶片；模态分析；流固耦合分析；结构静力分析；有限元
Abstract:
ByProfilisoftwareexportairfoil,andthenbySolidworkssoftware3MWwindturbinebladesforthree-dimensionalsolidmodeling,ThenbasedontheANSYSandWorkbenchsoftware,theanalysisofmodalandfluid-structureinteraction.AndtheStaticstructuralanalysisisusedtheANSYSMechanicalAPDLtoo.ThemodalanalysisresultsshowthatthevibrationmodesofthisbladearepresentedasShimmyandbending,Thefirstthreemodesfrequenciesare0.3402Hz、1.1492Hzand1.7735Hz.Anditcanavoidtheexternalexcitationfrequencywell,Avoidtheresonancephenomenonoccurs.Theanalysisoffluid-structureinteractionhavedoanumericalsimulationaboutRatedwindload,throughtheStaticstructuralanalysiswehaveabasicunderstandingofthestressanddeformationabouttheblade.Andthemaximumstressofthebladeis56MPaundertheratedwindload.FarlowerthantheMeasuredtensilestrengthof720MPa.Andunderthe11ratingwindload.Thestresscloudshowthatmaximumstressis83.8MPa,Meetthestrengthofthematerialrequirements.Thisanalysisprovidesareferenceandbasisforfurtherfatigueanalysisandoptimizationdesign.
Keywords:
Windturbineblades;modalanalysis;fluid-structureinteractionanalysis;structurestaticanalysis;finiteelement.
1绪论
能源是人类社会发展不可缺少的三大动力之一。
现如今石油、煤炭等化学燃料不仅资源难以支撑，而且对环境也带来了严重问题，尤其是温室气体排放带来的一系列生态环境问题。
因此寻求一种新型并且可再生的能源是当务之急[1]。
目前在可再生能源中，除水电外，风电最具有商业开发条件。
风能作为绿色环保的可再生能源，它的开发利用不但能够缓解世界能源危机，而且还具有石油、煤炭等常规化石能源不可比拟的优势，如可持续开发，不存在资源枯竭，不会排放温室气体和其他有害物质等。
风力发电的原理[2]即是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。
风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。
风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。
自1973年世界石油危机之后，在常规能源紧缺和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分有了长足的发展。
风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，尤其是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。
即便在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。
中国新能源战略已经开始把大力发展风力发电设为重点项目。
按照国家的规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。
以每千瓦装机容量设备投资7000元计算，根据《风能世界》杂志[3]发布，未来风电设备市场将高达1400亿元至2100亿元。
我国风力虽然发电起步晚，但是发展速度快。
1986年，通过引进丹麦的风电技术[4]，山东荣成建立了我国第一个并网风力发电场。
此后，我国政府先后颁布了许多鼓励风电的政策法规，促进风力发电的发展。
这些政策极大的推动了我国风力发电行业的发展，风力发电相关技术水平迅速提高，风电行业产业链日趋完善，装机容量也迅速上升。
据统计，截至2010年年末，全国装机容量已达41070，居世界第一。
2风力机叶片的建模
该毕业设计叶片模型是以3MW水平轴风力发电机叶片为例进行的。
其叶片的三维模型是通过Profili导出翼型叶素再由Solidworks软件建立，然后转换格式导入有限元分析软件ANSYS12.1中进行分析。
叶片的建模主要是需确定：
①叶片的长度尺寸、②叶片数目B、③叶片的翼型、④叶片截面的弦长L、⑤叶片截面的安装角β[5]。
下面就根据涡流理论来确定以上参数。
2.1叶片长度和数目的确定
在实际设计过程中，对于给定功率的风力机叶轮直径采用蜗牛理论直接由下式[6]给出：
式中:
D—风力机叶轮直径；
P—风力机输出功率，其中取P=3MW；
—风能利用系数，高速风力机一般取
=0.4；
—机械传动和发动机效率，取
=0.81；
—空气密度，取
=1.225
；
—额定风速，取
=13m/s.
经计算求得D≈93.59m，所以取D=94m，即叶片长度为47m。
考虑到目前国内外的风力机大部分是采用三叶片的，并且三叶片的风力机运行和功率输出比较平稳，所以选择叶片数为B=3。
同时根据表2.1确定叶尖速比[5]
=6。
表2.1叶尖速比与叶片数的匹配
尖速比
叶片数
尖速比
叶片数
1
8~24
4
3~5
2
6~12
5~8
2~4
3
3~8
8~15
2~1
2.2叶片翼型的选择
叶片翼型的种类较多，目前常用的翼型有NACA四位数字翼型，NACA五位数字翼型，NACA六位数字翼型，这里采用了NACA四位数字翼型（NACA4412），其特点是：
与其他翼型相比，有较高的最大升力系数和较低的阻力系数。
从翼型型号得出该叶片的相对厚度为12%，在实际建模时为了保守起见，将叶片的相对厚度增加到15%，数值是弦长为100mm时厚度为1.5mm。
翼型坐标数据如下图2.1所示，该数据是以弦长为单位的坐标点数据，单位是mm。
图2.1NACA4412坐标数据
该坐标点数据是通过专用翼型软件Profili导出而来，实际建模时并未使用该表坐标点数据，而是直接由Profili导出叶素模型为建模使用。
2.3叶片弦长和安装角的计算
风机叶片的形状非常不规则，叶片从根部到叶尖是由不同弦长、不同扭角的叶素构成，而且弦长和扭角都不能用确定的函数或图表来表述。
采用Glauert理论[7]对叶片的各叶素进行计算。
该理论以涡流理论为基础，考虑了轴向和周向的干扰因子，忽略了翼型阻力和叶尖损失，从而使得计算过程比较方便，计算结果相对精确。
计算参数背景：
风力机回转直径（即叶轮直径D），风力机的叶片数目B，叶尖速比
，攻角i，升力系数
，r/R的比值关系（R即为回转半径，r是叶素的回转半径）。
其叶素的弦长L（叶展方向r处的弦长）和安装角β（即叶展方向r处的扭角）的计算公式如下：
式中：
取其攻角i=6°，设计升力系数
=1.9。
考虑到叶片根部对风机风轮输出功率贡献不大，把叶片径向的0.2R-R段等分为20段，即从叶展方向r=9.4m处开始计算，将其9.4m~47m等分为20份，每段长度为（47-9.4）/20=1.88m。
所以得到的r/R的值依次为9.4/47,（9.4+1.88）/47,……（9.4+20×1.88）/47。
由于上式的计算较为复杂且重复性好，所以计算时将其导入excel表格进行，下表2.2即为计算结果。
表2.2叶展r处的弦长和扭角
L（弦长m）
β（扭角°）
λ
r（m）
4.366618738
20.537047395
1.2
9.4
4.0168624242
17.185220911
1.44
11.28
3.6776529014
14.508479689
1.68
13.16
3.3688960845
12.341335083
1.92
15.04
3.0950547319
10.561592737
2.16
16.92
2.8545433033
9.0799099654
2.4
18.8
2.6437475648
7.8307201838
2.64
20.68
2.4586807743
6.765424972
2.88
22.56
2.2956191899
5.8475472153
3.12
24.44
2.1513041454
5.0493385046
3.36
26.32
2.022966343
4.3494073312
3.6
28.2
1.9082831682
3.7310503503
3.84
30.08
1.8053163056
3.1810664781
4.08
31.96
1.712448986
2.6889042173
4.32
33.84
1.6283299562
2.2460410173
4.56
35.72
1.5518260144
1.8455259547
4.8
37.6
1.4819828253
1.481638713
5.04
39.48
1.4179929801
1.1496323583
5.28
41.36
1.3591701089
0.84553719867
5.52
43.24
1.30492793
0.56600967408
5.76
45.12
1.2547632798
0.30821480535
6
47
2.4Solidworks建模
图2.2NACA4412翼型
直接用Profili导出翼型叶素，如上图2.2所示。
为了保守起见，这里对叶素的厚度进行了修改，在AutCAD中通过偏移指令将其相对厚度适增加到15%，具体数值是弦长100mm时的厚度为1.5mm。
然后导入到solidworks中进行处理，并且在0.15C和0.5C（C为弦长）处加上腹板，腹板的厚度与叶素厚度相同，均为相对厚度的15%。
得到了完整的叶素，如下图2.3所示。
图2.3完整叶素图
以该叶素轮廓线图为基础来建立所有截面的轮廓线，操作方法如下：
STEP1:
建立基准面，一共需要建立22个基准面。
操作命令：
参考几何体>基准面。
STEP2:
复制截面叶素轮廓线，将图2.2的叶素轮廓线依次复制到相应的基准面上（注：
最初的轮廓线需先将圆心移动到其轮廓线的压力中心，其压力中心的位置取在离叶片前缘1/4弦长位置）。
操作命令：
CTRL+C>CTRL+V。
STEP3:
截面轮廓线的放大，放大的倍数即为对应截面的弦长。
操作命令：
工具>草图工具>缩放实体。
STEP4:
截面轮廓线的旋转，旋转的角度即为表2.3所示的扭角β。
操作命令：
工具>草图工具>旋转，其旋转中心选择其坐标原点也就是压力中心。
STEP5:
依次重复
（1）~（4），直至绘出所有的截面图，所得到的叶片的叶素轮廓如下图2.4所示，该模型中简化了叶根部位，直接绘制两个圆代替叶根部位的轮廓线。
图2.4叶素轮廓图
STEP6:
然后用“放样凸台/基体”和“放样切割”等命令得到最终供分析的叶片图。
叶片的模型如图2.5所示。
为了能表达出叶片内部腹板，这里截取了一张内部加腹板的图片，以方便全面的了解叶片模型形状，如图2.6所示。
该叶片模型全长49.38m，与前文理论计算的尺寸有一定差距，主要是叶尖部位并不在弦长的计算范围内，且建模时对叶根的尺寸做了小幅度的修改。
如果该模型采用的材料为环氧玻璃钢[8]，其密度为1850
。
图2.5叶片模型
图2.6叶片内腔结构图
同时还提供了为后文进行流固耦合分析和结构静力分析的装配体模型外观图，如图2.7。
流固耦合分析模型与结构静力分析模型的区别图如图2.7（a）（b）所示。
其中图2.8（a）模型的叶片是实心。
图2.7装配体模型
（a）流固耦合分析模型（b）结构静力分析模型
图2.8分析模型对比图
3模态分析
3.1模态分析的定义
模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可通过计算或者试验分析取得，这样的计算或试验分析过程称为模态分析。
这个分析过程如果是通过有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析。
其经典定义：
将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。
坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。
3.2模态分析的作用
模态分析的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析技术的应用可归结为一下几个方面：
（1）评价现有结构系统的动态特性；
（2）在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；
（3）诊断及预报结构系统的故障；
（4）控制结构的辐射噪声；
（5）识别结构系统的载荷。
3.3风力机叶片模态分析概述
机械设计中，研究弹性体振动问题的重要目的就是避免共振，具体的机械结构可以看成是多自由度的振动系统，具有多个固有频率，在阻抗试验中表现为多个共振区，这种在自由振动时结构所具有的基本振动特性称为结构的模态[9]。
结构模态是由结构本身的特性和材料特性所决定的，与外载荷等条件无关。
风力机叶片是风力发电机组的关键部件之一，也是风力载荷直接作用的部件。
对于大型风力机叶片，叶片自身的重量也是一个不可忽略的载荷，再加上一些外载荷的影响，风力机叶片在运行过程中，很容易发生振动，从而导致叶片的破坏。
为了避免叶片发生共振而造成破坏就需要对叶片就行模态分析，确定其固有频率和振型，分析出其在外载荷作用下的结构动力特性。
3.4叶片模态分析过程
将Solidworks建立的叶片模型转换为Parasolid（x_t）格式，用ANSYSAPDL打开，操作步骤：
File>Import>PARA。
打开的文件只显示了其组成线，还需要处理转换成完整的模型，操作步骤：
PlotCtrls>Style>SolidModelFacets，在下拉列表中选择“NormalFaceting”，单击OK。
回到主界面，单击Plot>Replot。
即完成了导入过程。
模态分析的具体步骤如下：
STEP1:
预处理：
preferences>Structural。
STEP2:
创建单元类型：
Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，创建的单元类型为SOLID45。
STEP3:
定义材料属性：
Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，选择Structural>Linear>Elastic>Isotropic。
在这里材料参考其他论文，选择环氧玻璃钢，该材料的比强度、比模量、耐久性和耐腐蚀性都能满足运行环境的要求。
其杨氏模量（EX）为1.92E10，泊松比（PRXY）为0.15，密度（DENS）为1850
[10]。
STEP4:
网格划分：
Preprocessor>Meshing>MeshTool，此处直接设置全局网格划分，点击Global后面的Set，在SIZE后面直接输入0.2，即单元长度为0.2m。
STEP5:
施加约束：
施加约束应该与实际情况尽可能保持一致，所以在叶根的底端截面上施加一个全约束（AllDOF）。
Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnAreas。
STEP6:
指定分析类型：
Preprocessor>Loads>AnalysisType>NewAnalysis，在此选择Modal。
STEP7:
指定分析选项、扩展模态：
Preprocessor>Loads>AnalysisType>AnalysisOptions。
这里用BlockLanczos对模态进行提取，提取阶数为十阶。
然后用Preprocessor>Loads>AnalysisType>LoadStepOpts>Expansionpass>SingleExpand>ExpandModes进行模态扩展，扩展阶数为十阶。
STEP8:
求解：
Solution>Solve>CurrentLS。
STEP9:
查看结果：
GeneralPostproc>ResultsSummary。
模态频率结果如下表3.1所示。
表3.1叶片模态频率
阶次
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
频率（Hz）
0.3402
1.1495
1.7735
2.9291
4.7223
5.2830
7.9782
9.9468
11.443
11.692
然后再通过GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape，查看各阶模态振型，如下图3.1（a）~（j）所示（为了打印需要，需要将Ansys背景颜色更改为白色操作指令：
plotctrls>style>colour>reversevideo）。
（a）一阶模态振型（b）二阶模态振型
（c）三阶模态振型（d）四阶模态振型
（e）五阶模态振型（f）六阶模态振型
（g）七阶模态振型（h）八阶模态振型
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