搜索利用有限元對(duì)大型風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)分析和測(cè)試
2017-03-23 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片(下文簡(jiǎn)稱葉片)是風(fēng)電設(shè)備將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵部件,其制造成本約占風(fēng)機(jī)總成本的15%——30%。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片基本由復(fù)合材料制成,葉片設(shè)計(jì)與制造是風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)關(guān)鍵。目前,國(guó)內(nèi)多家葉片生產(chǎn)企業(yè)都在自主開(kāi)發(fā)新型號(hào)葉片,設(shè)計(jì)中所用的工具也不盡相同。FOCUS軟件是用于風(fēng)電機(jī)組及組件(如葉片)快速設(shè)計(jì)分析的軟件工具,在國(guó)際風(fēng)電設(shè)備工業(yè)有超過(guò)10年的應(yīng)用史。相對(duì)于使用三維建模軟件和有限元計(jì)算軟件結(jié)合的設(shè)計(jì)路線,使用FOCUS軟件更為便捷。
本文通過(guò)使用FOCUS軟件對(duì)某型號(hào)葉片直接完成建模,對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析,并與實(shí)際葉片的模態(tài)和靜力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。
2、模型建立
擁有獨(dú)特的對(duì)葉片進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的 交互式建模工具。在對(duì)葉片進(jìn)行逐步定義的同時(shí),三維的交互式顯像會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)變化給出直接反饋。使用FOCUS軟件對(duì)本文所研究的葉片進(jìn)行建模,第一步是通過(guò)一系列坐標(biāo)點(diǎn)定義翼型輪廓線,第二步是在三維空間中設(shè)置翼型位置、放大比例、旋轉(zhuǎn)角度、預(yù)彎等來(lái)建立氣動(dòng)外形,第三步是定義材料,第四步是定義鋪層邊界,第五步是根據(jù)鋪層邊界和設(shè)計(jì)厚度定義鋪層,從而完成了風(fēng)機(jī)葉片的建模。 該葉片是由壓力面殼體、吸力面殼體和前后緣兩側(cè)抗剪腹板結(jié)構(gòu)組成,其中殼體由蒙皮、大梁、大梁兩側(cè)的芯材、后緣增強(qiáng)層和葉根增強(qiáng)層組成,所涉及的主要增強(qiáng)材料包括單軸向布、雙軸向布、三軸向布、Balsa木、PVC泡沫。
3、 重量分析
對(duì)該模型提取截面屬性,并通過(guò)后處理選擇 葉片重量,得到葉片計(jì)算重量分布,見(jiàn)圖1。
從圖1可知,該葉片重量在0——1m處的斜率最大,表明在葉根處的單位重量最大,這是由于葉根段需要達(dá)到一定的鋪層厚度滿足打孔需要。其計(jì)算重量為7683kg,實(shí)際樣片的稱量重量為7675kg,偏差0.1%,二者非常接近,表明模型與 實(shí)際一致性好。
4 、模態(tài)分析
對(duì)該模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算,并分別提取了一階 揮舞、二階揮舞、一階擺振和一階扭轉(zhuǎn)的振型,如圖2——5所示。模型計(jì)算頻率與樣片試驗(yàn)頻率的對(duì)比見(jiàn)表1。 從圖2——5和表1可知,樣片試驗(yàn)的頻率均小于計(jì)算頻率,造成偏差的主要原因是樣片整體剛度比設(shè)計(jì)剛度偏小,但偏差小于5%,符合 GL2010的相關(guān)測(cè)試要求。
5、 靜力分析
5.1位移分析
在葉片靜力試驗(yàn)過(guò)程中,載荷是通過(guò)位于設(shè) 定截面的加載夾具,從0%,40%,60%,80%到 100%逐步加載的。對(duì)施加100%載荷時(shí),計(jì)算位移和試驗(yàn)位移的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖6。圖6中為便于比 較,不考慮位移的方向性,位移數(shù)據(jù)均取正值。
從圖6可知,沿葉片長(zhǎng)度方向共設(shè)立了7處位移測(cè)試點(diǎn),主要集中在了葉片的中后部。沿葉片長(zhǎng)度方向,葉片位移逐漸增大,且越靠近葉尖,位移增大速度越快,這種趨勢(shì)在最大揮舞方向和最 小揮舞方向更為顯著。4個(gè)測(cè)試方向中,最大揮舞方向比最小揮舞方向的位移大,最大揮舞方向的葉尖位移最大,試驗(yàn)值為10441mm,計(jì)算值為 10456mm,偏差很小僅為-0.015%,說(shuō)明該模型 能真實(shí)地反映葉片受載時(shí)的葉尖撓度,該樣片能夠滿足整機(jī)設(shè)計(jì)的凈空需要。4個(gè)測(cè)試方向中,試驗(yàn)位移和計(jì)算位移高度擬合,最小擺振方向的偏差相對(duì)大一些,最大偏差僅為5.08%,小于7%,滿足GL2010的相關(guān)測(cè)試要求。
5.2應(yīng)變分析
目視檢查不能監(jiān)測(cè)到的葉片狀態(tài)變化,通?？捎脩?yīng)變計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)。對(duì)置于葉片壓力面大梁和吸力面大梁位置處的監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別在最大揮舞方向和最小揮舞方向施加100%載荷的應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表2。對(duì)置于葉片前緣、后緣位置處的監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別在最大擺振方向和最小擺振方向施加 100%載荷的應(yīng)變進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表3。
從表2可知,在承受最大揮舞方向載荷時(shí),葉片壓力面大梁應(yīng)變?yōu)檎?吸力面大梁應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,在L20.0m處的應(yīng)變最大。在承受最小揮舞方向載荷時(shí),葉片壓力面大梁應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,吸力面大梁應(yīng)變?yōu)檎?在L20.0m處的應(yīng)變最大。在吸力面大梁L23.5m處的計(jì)算應(yīng)變和試驗(yàn)應(yīng)變偏差較大,結(jié)合該試驗(yàn)應(yīng)變?cè)诓煌d荷步下的變化情況,認(rèn)為該應(yīng)變片失效,應(yīng)變數(shù)據(jù)無(wú)效。除此之外,計(jì)算應(yīng)變與試驗(yàn)應(yīng)變最大偏差為-7.04%,小于10%,符合GL2010規(guī)范要求。
從表3可知,在承受最大擺振方向載荷時(shí),葉片前緣應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,葉片后緣應(yīng)變?yōu)檎?同側(cè)不同截面的應(yīng)變變化不大,在L16.0m處的應(yīng)變最大。在承受最小揮舞方向載荷時(shí),葉片前緣應(yīng)變?yōu)檎?葉片后緣應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,同側(cè)不同截面的應(yīng)變變化不大,前緣在L16.0m處的應(yīng)變最大,后緣在L23.5m處的應(yīng)變最大。在后緣L9.0m處的計(jì)算應(yīng)變和試驗(yàn)應(yīng)變偏差較大,結(jié)合該試驗(yàn)應(yīng)變?cè)诓煌d荷步下的變化情況,認(rèn)為該應(yīng)變片失效,應(yīng)變數(shù)據(jù)無(wú)效。除此之外,計(jì)算應(yīng)變與試驗(yàn)應(yīng)變最大偏差為-7.61%,小于10%,符合GL2010規(guī)范要求。
6、結(jié)論
使用FOCUS軟件進(jìn)行風(fēng)電葉片模型搭建, 計(jì)算葉片質(zhì)量,與樣片實(shí)測(cè)重量相比,偏差僅 0.1%,表明模型搭建合理。 計(jì)算頻率和試驗(yàn)頻率的偏差均小于5%,符合GL2010規(guī)范要求。 計(jì)算位移和試驗(yàn)位移的偏差均小于7%,計(jì)算應(yīng)變和試驗(yàn)應(yīng)變的偏差除異常點(diǎn)外均小于 10%,符合GL2010規(guī)范要求。
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