34m 复合材料风力发电机组叶片屈曲有限元分析[j]

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1、34m复合材料风力发电机组叶片屈曲有限元分析*李成友周光明黄再兴/南京航空航天大学田卫国/中航(保定)惠腾风电设备有限公司9摘要：采用有限元分析的方法解决了叶片的静强度和屈曲稳定性问题。首先，阐述了利用MSC.Patran建立复合材料叶片的有限元模型的步骤和方法；其次，利用蔡-吴(E.M.Wu)失效准则和Hill-蔡(S.W.Tsai)强度理论校核了几种主要承力材料的强度；最后，结合有限元二阶屈曲模态计算结果，讨论了风机叶片结构的屈曲稳定性。关键词：风力发电机；叶片；复合材料；有限元分析中图分类号：TK83文献标识码：B文章编号：1006-8155（2008）05-0040-07FiniteE

2、lementAnalysisofBucklinginthe34mCompositeMaterialWindTurbineBladesAbstract:Theaimofthispaperistoinvestigatethestaticstrengthandbucklingstabilityofthe34mcompositewindturbineblades(CWTBs).Becausethegeometricshapeandboundaryofthewindturbinebladesarecomplicated,thefiniteelementmethodisusedtoanalyzethisp

3、roblem.First,basedontheMSC.Patran,theproceduresofthefiniteelementmodelingfortheCWTBsarediscussed.Next,thestrengthofmainmaterialsinCWTBischeckedwiththeE.M.WufailurecriterionandS.W.Tsaistrengththeory.Finally,thebucklingstabilityoftheCWTBsisdiscussedonthebasisofcalculationfortwo-orderbucklingmodeofCWTB

4、s.Keywords:windturbine;blade;compositematerial;finiteelementanalysis0引言随着世界能源危机的日益严重，以及公众对于改善生态环境要求的呼声日益高涨，风能作为一种清洁的可再生能源日益受到各国的重视[1]。风力发电具有无污染、安装运行简单、操作维护成本低等优点，但是其最大缺点是风的间歇性，导致风力发电不稳定。因此需要用可靠的和高效的设备在风力较强的有限时间内最大限度地获得风能[2]。叶片是风力发电机最重要的部件。为了最大限度地利用风能，叶片外形根据空气动力学原理设计而成，为了满足叶片质量轻、刚度大、强度高和耐疲劳等特性，叶片主体部分

5、由复合材料制作而成[2]。风—电转换过程首先从叶片开始，叶片的性能直接关系到风力发电系统的性能。各国风力发电系统的运行实践表明，叶片是最容易出现故障的部位[3]。叶片结构发生破坏的两种形式：材料强度不够和结构屈曲[4]。所以，对叶片进行强度分析和屈曲分析意义重大。本文借助于有限元工具，从材料强度和结构屈曲两个方面去研究叶片的性能。目的是确定叶片应力应变分布规律，找出危险点，对危险点处的几种材料进行强度校核。进而计算叶片的二阶屈曲模态，获得屈曲载荷，验证叶片是否满足屈曲强度要求。同时，确定结构容易发生屈曲的危险位置。本文采用商用软件MSC.Patran和MSC.Nastran，其中MSC.Nas

6、tran中屈曲分析包括线性屈曲和非线性屈曲分析，在算法上，MSC.Nastran采用先进的微分刚度概念，考虑高阶应变—位移关系，结合MSC.Nastran特征值抽取算法可精确地判断出相应的失稳临界点[5]。1有限元模型1.1几何模型和网格划分叶片由两部分组成：蒙皮和主梁。蒙皮是将气流转换成叶片转动所需压力的主要部件。它的设计是基于空气动力学原理，不同的横截面呈现不同的翼型，并有一定的扭转角，叶片的整体外形自叶根到叶尖大致呈锥形(见图1)。__________________________*基金项目：航空科学基金资助项目（04B52010）收稿日期：2008-01-07南京市210016主梁是

7、叶片承受载荷的主要部件。蒙皮仅承受总载荷的20%，而其他部分9由主梁承担。主梁的横截面呈盒状。图1叶片立体几何模型：蒙皮和主梁图2带边界条件和载荷的叶片有限单元模型叶片的主要外形参数见表1。表1叶片主要技术参数额定功率/kW1500叶片长度/m34.23叶片最大弦长/mm3100叶片扭角/（°）13叶片质量/kg5896.7重心位置（距叶根）/m10.591叶片的初始资料仅有各个截面的二维工程图，