1、大型复合材料风电叶片整体刚度分析方法 靳交通 1，彭超义 2，冯学斌 1，曾竟成 2（1. 株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲，412007；2. 国防科学技术大学，湖南 长沙，410073）摘 要：通过大型通用三维设计软件 PROE 建立了兆瓦级风电叶片三维模型，将所建立的三维模型导入到通用有限元分析软件 ANSYS 中进行有限元分析。采用壳单元 shell181 模拟风电叶片复合材料特性，进行模态分析和静力分析。模态分析与静力分析均表明，风电叶片在摆振和 挥舞两个方向上的一阶固有频率以及挠度的分析结果与实测结果吻合良好，验证了本文有限元分析方法的可靠性。本文分析方法缩短了建模时间，
2、提高了工作效率，对工程上叶片结构分析与校核及新产品开发具有一定的指导意义。关键词：复合材料，风电叶片，有限元，模态，刚度中图分类号：TK83 文献识别码：A引言复合材料叶片是风机设备中将风能转化为机械能的关键部件 1。目前，叶片尺寸正在朝着大型化的方向发展，而其结构性能试验的成本也随之增加，因此，发展一种有效的结构计算分析方法对于减少试验成本以及缩短新产品开发周期具有重要意义。随着计算机技术的发展，有限元法在结构分析中得到了广泛的应用。ANSYS 是一款著名的商业化大型通用有限元分析软件，具有强大的有限元建模和结构分析功能，适用于复合材料叶片应力、变形、频率、屈曲、疲劳及强度分析等 2。鉴于大
3、型复合材料材料叶片结构的特殊性，例如：形状不规则（每个截面都不同） ；铺层复杂，过渡层很多；大量夹层结构（“三明治”结构） ；大量粘结区域，复合材料风电叶片有限元建模是叶片结构有限元分析中的一大难题，而单元类型的选择又决定着建立有限元模型的难易。目前，复合材料风电叶片有限元模型在单元的选择上有壳单元（如 Shell99、Shell181）和实体单元（如 Solid46） 。选择实体单元，虽然能提高有限元的计算精度，但是建立叶片的有限元模型会花费大量的工作时间，且很难定义单元坐标，在工程应用上不太方便；选择壳单元，可以方便地设置和修改铺层厚度，单元坐标的设置容易实现，建模和计算时间比采用实体单元
4、少，这极大地提高了工作效率，而且其计算精度也可以满足工程需要。本文采用 shell181 壳单元，建立了叶片的有限元模型，并以悬臂梁的方式，对叶片的模态和静力变形进行了计算分析，通过计算，得出了叶片的重量、振 基金项目:国家 863 项目(编号:2007AA03Z563),湖南省重大科技专项(编号:No.2009FJ1002).第一作者:靳交通(1980.9-),工学硕士,主要从事复合材料风电叶片结构设计工作.Email:型及最大变形，并与试验数据进行了对比。 1 有限元模型的建立通常，在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立。一般包括几何建模、定义材料属性和实常数（要根据单
5、元的几何特性来设置，有些单元没有实常数） 、定义单元类型，网格划分、添加约束与载荷等。由于叶片形状复杂，而一般有限元软件所提供的几何建模工具功能相当有限，所以在 ANSYS 中难以快速方便地对其建模。因此，针对较复杂的结构，可以先在三维 CAD 软件（如在 PROE 中）建立几何模型，然后在有限元分析软件 ANSYS 中通过输入接口读入实体模型，最后，在 ANSYS 环境下，通过几何修补和简化、板壳中面抽取、节点偏置、网格自动划分等技术对叶片模型进行处理，并形成高效准确的有限元模型，使之适用于 CAE 分析。1.1 单元设置与材料属性针对叶片中的梁、壳等复合材料层合结构，ANSYS 提供了一系
6、列的特殊单元结构多层复合材料单元，以模拟各种复合材料。铺层单元中可以考虑复合材料特有的铺层特性和各向异性特性。本计算采用的是非线性铺层单元 Shell181。该单元有四个节点，单元每个节点有六个自由度，分别为沿节点 X、Y、Z 方向的平动及绕节点 X、Y 、Z 轴的转动。Shell181 单元具有应力刚化及大变形功能。该单元有强大的非线性功能，并有截面数据定义、分析、可视化等功能，还能够定义复合材料多层壳。Shell181 壳单元的截面定义了垂直于壳 X-Y 平面的形状。通过截面命令可以定义 Z 方向连续层，每层的厚度、材料、铺层角及积分点数都可以不同。单元铺层主要是确定纤维方向和纤维量，是复
7、合材料风电叶片结构设计的一个重要环节。铺层设计的优劣在很大程度上决定着结构设计的成败 3。本计算的铺层完全按照工艺铺层进行设计。在 ANSYS 环境下，针对Shell181 单元，材料层的截面定义一般分为两步： 定义截面及其相关的截面号码。定义截面的几何数据。Shell181 单元的形状，节点位置，坐标系如图1 所示。该单元由四个节点 I、J、K、L 定义。单元的表述通过对数应变和真实应力度量。可以通过实常数或截面的定义来定义厚度及其它信息。使用实常数选项只用于单层壳。图 1. Shell181 单元形状及坐标叶片的材料体系为玻纤/环氧，叶片制作采用真空灌注工艺，所用复合材料有：三轴向玻璃布、
8、双轴向玻璃布、单轴向玻璃布、PVC 泡沫、Balsa 木、毡等。玻璃钢复合材料与泡沫材料的主要力学性能见表 1、表 2 所示，其中，Ex为材料的纤维方向，玻璃钢复合材料的密度取 =1888kg/m 3，Balsa 木密度取=150kg/m 3，PVC 密度取 =80kg/m 3。表 1.玻璃钢复合材料力学性能材料 符号 单位 UD Biaxial TriaxialEx MPa 39000 11400 28500Ey MPa 8920 11400 13500玻纤 /环氧Ez MPa 8920 8920 8920表 2.泡沫材料力学性能材料 符号 单位 模量值Ex MPa 1000Balsa 木E
9、y MPa 35PVC Ex MPa 651.2 模型建立与网格划分首先，依据三维坐标变换原理求解出叶片空间截面翼型的实际位置。然后以大型三维软件 PROE 为工作平台，通过导入空间坐标点，生成 B 样条曲线，如图 2 所示。最后，由曲面扫掠命令生成叶片三维外形图，再结合曲面曲线分析命令对所生成的曲线、曲面进行检验和修改，直至生成符合要求的叶片三维外形图，如图 3 所示。将生成的三维模型转化为 IGES 格式文件，为后续建立有限元模型做准备。图 2.叶片线框投影图图 3.叶片外形图将 PROE 导出的 IGES 格式文件，输入到 ANSYS 系统中，得到了 ANSYS环境下的叶片三维模型。采用
10、 Shell181 单元对叶片壳体、梁、腹板进行网格划分，有限元模型单元数为 29914，节点数为 88680，如图 4 所示。图 4.网格划分图1.3 约束与载荷叶片根部采用刚性固定的约束形式，即根部所在节点的 6 个自由度被固定，整个叶片简化为悬臂梁模型。加载方式与试验加载方法保持一致，第一个工况，即在挥舞方向，选择三点加载，施加集中力 F1=44KN，F 2=97KN，F 3=100KN，如图 5 所示；第二个工况，即在摆振方向，选择四点加载，施加集中力F1=55KN，F 2=30KN，F 3=16KN，F 4=41KN，如图 6 所示。图 5. 挥舞方向加载方式图 6. 摆振方向加载方
11、式2 计算结果与分析2.1 质量计算结果表 3 即为 ANSYS 输出的风电叶片质量计算结果，重心位置与实测值基本吻合，叶片总质量低于实际值。产生叶片质量计算值比实测值小的主要原因是叶片灌胶后，其泡沫的密度应该大于实际泡沫的密度，以及建立的叶片有限元模型没有考虑实际叶片中的附件（如雷电接闪器等金属件）重量等。表 3.风电叶片质量计算结果质量kg 重心（距叶根）m实际值 5940 12.1有限元计算值 5530 11.8偏差 6.9% 2.48%2.2 模态分析结果表 4 即为 ANSYS 输出的风电叶片一阶固有频率计算结果，并且提取了叶片的前四阶振型，如图 7 所示。表 4.风电叶片一阶固有频
12、率计算结果频率值Hz一阶挥舞方向 一阶摆振方向试验值 0.8 1.46计算值 0.89 1.56偏差 11.25% 6.85%由图 7 可知，一阶频率为挥舞方向一阶固有频率，二阶频率为摆振方向一阶固有频率。由表 4 知叶片一阶固有频率的计算值比实测值大，造成计算值偏大的主要原因是叶根约束方式与试验（通过螺栓固定）不一致，以及计算质量小于实际质量等。图 7.振型图2.3 静力分析结果表 5 即为两种工况下计算出的风电叶片最大挠度值，计算结果与实测值吻合较好。表.两种载荷工况下风电叶片的最大挠度叶片最大挠度m挥舞方向 摆振方向试验值 10.99 1.41计算值 10.902 1.384误差 0.7
13、3% 1.84%叶片变形如图 8、图 9 所示。1MNMXturb2MW -.796E-03 1.211 2.422 3.633 4.845 6.056 7.267 8.479 9.69 10.902DEC 21 200913:36:02NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =7TIME=1UX (AVG)RSYS=11DMX =11.11SMN =-.796E-03SMX =10.902DSYS=11图 8. 挥舞方向变形云图1turb2MW -1.384 -1.23 -1.076 -.921636-.767367-.613099-.45883 -.304562-.150293.0
14、03975ANSYS 11.0DEC 21 200913:24:28NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =7TIME=1UY (AVG)RSYS=11DMX =1.48SMN =-1.384SMX =.003975DSYS=11图 9.摆振方向变形图3 结论(1) 采用壳单元模拟风电叶片计算出叶片总质量、挠度变形能与实测结果相对误差小于10%，表明该方法在工程应用上是可行的。(2) 由于叶根约束方式与试验（通过螺栓固定）不一致以及计算质量小于实际质量等原因，叶片固有频率的计算值略高于实测结果。(3) 采用壳单元计算风电叶片刚度，可以在保证较高的计算精度的同时，有效缩短建模时间，提高
15、工作效率，对风电叶片结构分析的实际工程应用具有重要价值。参考文献1 Sohn YU, et al. Blade design of a 750kW direct-drive WTGSJ.Beijing, WWEC, 20042 孟志华 . ANSYS 在航空复合材料数字化设计与制造工艺中的应用J.航空制造技术，2006 第 1 期.3 孙珊霞. 风力发电叶片结构及铺放性能研究D.武汉：武汉理工大学，2007.5.4 王富耻，张朝晖. ANSYS10.0 有限元分析理论与工程应用M. 北京：电子工业出版社，2006.5.Integral Stiffness Analysis for Large
16、Composite Material Wind Rotor Blade Jin Jiaotong1,Peng Chaoyi2， Feng Xuebin1， Zeng Jingcheng2(1. Zhuzhou Times New Materials Technology CO.,LTD, Zhuzhou 412007,China； 2. College of Aerospace and Material Engineering，NUDT ，Changsha 410073, China)Abstract: This paper created three-dimensional model fo
17、r one type of blade using PROE. Blade model was imported to ANSYS environment for finite element analysis. The modal analysis and the static analysis of this blade were calculated by shell181 element. The first natural frequency in flapwise and edgewise and the displacement value in the two load cas
18、e were basically consistent with testing result. Therefore, this method was feasible. This method could shorten modeling time and improve working efficiency, and also it was the base for blade structure calculation and check and new product developing. Key Words: Composite Materials, Rotor blade, Finite Element, Mode, Stiffness
