复合材料风电叶片结构截面刚度有限元分析

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1、复合材料风电叶片结构截面刚度有限元分析*基金项目:国家863项目(编号:2007AA03Z563),湖南省重大科技专项(编号:No.2006GK1002).第一作者:潘利剑(1980-),男,博士,主要从事复合材料风电叶片结构设计分析方面的工作,E-mail:xiaopanhrb@163.com潘利剑1，袁健1，彭超义2，唐先贺1，l刘魁1（1株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲，4120072国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙，410073）摘要：利用有限元分析方法，建立了两种不的有限元模型对某兆瓦级风

2、电叶片各截面刚度进行了分析。第一种模型建立了各截面外轮廓线拉伸后的壳体模型并分别施加悬臂梁和简支梁边界条件，第二种模型建立了各截面平面模型拉伸后的实体模型并分别施加悬臂梁和简支梁边界条件。分别将这两种不同模型的计算结果与国外技术文件所提供的某兆瓦级风电叶片各截面刚度进行了比较。最后对这两种不同有限元模型进行了综合的评价，对风电叶片结构自主开发设计具有一定的指导意义。关键词：复合材料，风电叶片，截面刚度，有限元中图分类号：TK83文献识别码：A引言风力发电机的叶片（本文简称为风电叶片）是风电设备的关键部件，其制造成本约占

3、风机总成本的15％~30％。目前大型风力发电机的叶片基本由各种复合材料制成，因此叶片气动设计和结构设计技术与复合材料技术密切相关。在兆瓦级风电机组中，叶片更是技术关键[1,2]。叶片的设计主要是气动外形设计和结构设计，还有防雷击系统设计等。叶片的气动外形设计是风力机叶片设计的基础，直接影响风力机的空气动力特性和电价成本[3]。叶片设计中要注意气动与结构的综合．实现气动与结构的优化组合。为了达到最佳的气动效果，同时也为了提高桨叶的气弹稳定性，正确快速地计算出旋翼桨叶截面剐度显得十分重要。近年来对桨叶粱截面刚度的研究主要有

4、解析法叫和有限元素法。当单元库足够时，有限元素法可方便地处理任何复杂的截面几何形状和任意的材料分布。目前国外有用于处理非均匀、各向异性粱截面刚度的软件包NABSA，但鲜有资料介绍其方法[4]。本文采用通用有限元分析软件ANSYS，采用两种不同的分析方案对某兆瓦级风电叶片各截面刚度进行了计算并与国外技术文件进行了比较，探讨了不同方案对风电叶片截面刚度分析结果的影响，对国内风电叶片自主开发设计具有一定的指导意义。1有限元模型1.1单元类型与边界条件以及载荷施加壳体模型采用壳单元shell99进行模拟，实体模型采用实体单元s

5、olid46进行模拟。悬臂梁边界条件的施加方法为设定其中一端面所有节点上所有自由度为零；简支梁边界条件的施加方法为设定其中一端面压力边外轮廓线、、三个方向上的位移为零，另一端面压力边外轮廓线、两个方向上的位移为零。对于悬臂梁模型，载荷施平均施加在自由端所有节点上。对于简支梁载荷施加方法为在各截面拉伸长度的中间位置截面上各节点施加相同大小的集中力。对于具有较弱（刚度相对较小）部分的截面，集中载荷施加在大梁上。其目的是为了避免集中载荷对沿着载荷方向的位移产生较大的影响而使得沿截面法向位移分布不均匀。1.2材料属性由于碳纤维

6、的价格是玻璃纤维的l0倍左右，目前叶片增强材料仍以玻璃纤维为主。在制造大型叶片时，采用玻纤、轻木和PVC相结合的方法可以在保证刚度和强度的同时减轻叶片的质量[5]。各材料属性设置按照国外相应技术文件所提供的各材料性能的最低指标，其中玻璃钢复合材料属性设置如表1所示。Balsa木材料属性为：，，，为顺着纤维方向的弹性模量通常为叶片厚度方向。PVC材料属性为：，。表1玻璃钢复合材料力学性能名称符号单位UDBiaxialTriaxial玻纤/环氧ExMpa390001140028500EyMpa89201140013500E

7、zMpa8920892089201.3单元形状与网格对于壳体模型建立，首先建立各截面的外轮廓线并将单元的节点设置在壳的顶面，将外轮廓线划分网格后将线网格沿外轮廓线所在平面法向进行拉伸并设置由线网格拉伸成面网格的控制选项。对于实体模型建立，首先建立各截面的平面模型并进行网格划分，将平面网格沿面法向进行拉伸并设置由面网格拉伸成体网格的控制选项。截面拉伸长度大约为弦长的20倍左右。分别采用这两种方法建立某兆瓦级风电叶片叶根位置截面与最大弦长位置截面的有限元模型如图1和图2所示。截面的厚度以及铺层通过设置实常数进行模拟。对于壳

8、体模型，网格形状为长方形，对于实体模型，网格形状为长方体，并控制最大边长小于最小边长的20倍。叶根位置壳体模型单元数为12000，实体模型为36000，最大弦长位置截面壳体模型单元数为10880，实体模型单元数为197200。(a)壳体模型网格图（b）实体模型网格图图1叶根位置截面法向拉伸网格图(a)壳体模型网格图（b）实体模型网