風(fēng)力機(jī)葉片的有限元分析.doc

合肥工業(yè)大學(xué)2012屆機(jī)械與汽車工程學(xué)院校級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)論文1風(fēng)力機(jī)葉片的有限元分析摘要：通過Solidworks軟件對(duì)3MW風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行建模，然后基于ANSYS和Workbench分別對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的結(jié)構(gòu)靜力分析部分也使用到了ANSYSMechanicalAPDL。其中模態(tài)分析結(jié)果表示：葉片的振型以擺振和彎曲為主，其一階模態(tài)頻率分別為0.34Hz，能順利的避開外在激勵(lì)頻率，避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。流固耦合分析對(duì)額定風(fēng)載進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，通過結(jié)構(gòu)靜力分析，對(duì)葉片的受力，變形情況有了一個(gè)基本的了解，其中葉片在額定風(fēng)載情況下的最大應(yīng)力為56MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其實(shí)測(cè)拉伸強(qiáng)度的720MPa。在11級(jí)風(fēng)載下的應(yīng)力云圖顯示其所受的最大應(yīng)力為83.8MPa，滿足其材料的強(qiáng)度要求。該分析對(duì)進(jìn)一步的疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供了參考和依據(jù)。關(guān)鍵詞：葉片建模；模態(tài)分析；流固耦合分析；結(jié)構(gòu)靜力分析Abstract:ThroughtheSolidworkssoftwarebuildtheblademodelwhichpoweris3MW.ThenbasedontheANSYSandWorkbenchsoftware,theanalysisofmodalandfluid-structureinteraction.AndtheStaticstructuralanalysisisusedtheANSYSMechanicalAPDLtoo.ThemodalanalysisresultsshowthatthevibrationmodesofthisbladearepresentedasShimmyandbending,Thefirstmodesfrequencyis0.34Hz.Anditcanavoidtheexternalexcitationfrequencywell,Avoidtheresonancephenomenonoccurs.Theanalysisoffluid-structureinteractionhavedoanumericalsimulationaboutRatedwindload,throughtheStaticstructuralanalysiswehaveabasicunderstandingofthestressanddeformationabouttheblade.Andthemaximumstressofthebladeis56MPaundertheratedwindload.FarlowerthantheMeasuredtensilestrengthof720MPa.Andunderthe11ratingwindload.Thestresscloudshowthatmaximumstressis83.8MPa,Meetthestrengthofthematerialrequirements.Thisanalysisprovidesareferenceandbasisforfurtherfatigueanalysisandoptimizationdesign.Keywords:Blademodeling；Modalanalysis；Fluid-structureinteractionanalysis；Staticstructuralanalysis1概述風(fēng)能是地球表面大量空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能，風(fēng)能量具有取之不盡、用之不竭、就地可取、不需運(yùn)輸、廣泛分布、不污染環(huán)境、不破壞生態(tài)、周而復(fù)始、可以再生等諸多優(yōu)點(diǎn)。人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到西元前，但數(shù)千年來，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機(jī)以來，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長(zhǎng)足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無污染和可再生的能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對(duì)沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場(chǎng)，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。即使在發(fā)達(dá)國(guó)家，風(fēng)能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組承受風(fēng)載的關(guān)鍵部件。一個(gè)優(yōu)良的葉片應(yīng)該具有高的捕風(fēng)能力、高壽命并且能夠承受當(dāng)?shù)貥O限風(fēng)載的能力。所以對(duì)葉片進(jìn)行一系列的有限元分析來驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等是否能滿足其在規(guī)定環(huán)境下的長(zhǎng)期運(yùn)行具有很高的實(shí)際意義。2葉片建模該論文葉片模型是以3MW水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為例，葉片翼型為NACA4412。其葉片的三風(fēng)力機(jī)葉片的有限元分析2維模型是通過Solidworks軟件建立的。葉片的建模前需要確定葉片的長(zhǎng)度尺寸、葉素的弦長(zhǎng)L和葉素的安裝角。下面就來確定以上參數(shù)并進(jìn)行建模。2.1葉片長(zhǎng)度的計(jì)算在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于給定功率的風(fēng)力機(jī)葉輪直徑直接由下式給出：38nPVCPD式中:D風(fēng)力機(jī)葉輪直徑；P風(fēng)力機(jī)輸出功率，其中取P=3MW；CP風(fēng)能利用系數(shù)，高速風(fēng)力機(jī)一般取CP=0.4；機(jī)械傳動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)效率，取=0.81；空氣密度，取=1.225Kg/m3；Vn額定風(fēng)速，取Vn=13m/s。經(jīng)計(jì)算求得D93.59m，所以取D=94m，即葉片長(zhǎng)度為47m?？紤]到目前國(guó)內(nèi)外的風(fēng)力機(jī)大部分是采用三葉片的，并且三葉片的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行和功率輸出比較平穩(wěn)，所以選擇葉片數(shù)為B=3。同時(shí)確定葉尖速比0=6。2.2葉素的弦長(zhǎng)和安裝角的計(jì)算應(yīng)用渦流理論設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片，把葉片分成若干個(gè)葉素，分別對(duì)各葉素在最佳運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。計(jì)算參數(shù)背景：風(fēng)力機(jī)回轉(zhuǎn)直徑（即葉輪直徑D），風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)目B，葉尖速比0，攻角i，升力系數(shù)CL，r/R的比值關(guān)系（R即為回轉(zhuǎn)半徑，r是葉素的回轉(zhuǎn)半徑）。在這里將r/R=1/n、2/n、3/n1，在此取n=20，即將其整個(gè)葉片分為20份進(jìn)行計(jì)算。其葉素的弦長(zhǎng)L和安裝角的計(jì)算公式如下：LrrBCKKL11)1()1(82ir)/1arctan(其中cos12K，）（Rr/0，22/11h）（K，)1/()h1(Kr，o603/)(arctan。取其攻角i=6，設(shè)計(jì)升力系數(shù)CL=1.9。考慮到葉片的根部對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率貢獻(xiàn)不大，所以計(jì)算并非從葉根部位開始算起，而是以葉展方向r=9.4m處開始計(jì)算，將其9.4m47m等分為20份，即每隔1.88m建立基準(zhǔn)面并繪制相應(yīng)的葉素輪廓。2.3Solidworks建?；谝陨蠀?shù)，用簡(jiǎn)單的放樣和放樣切割指令即能完成葉片建模，葉片模型如圖2.1所示，截面圖如圖2.2所示。合肥工業(yè)大學(xué)2012屆機(jī)械與汽車工程學(xué)院校級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)論文3圖2.1葉片模型圖2.2截面圖以上模型僅適用于模態(tài)分析，而流固耦合分析模型需要將整個(gè)風(fēng)輪模型建立，風(fēng)輪模型如下圖2.3、圖2.4所示。這兩個(gè)模型分別是流固耦合分析在Workbench和ANSYS經(jīng)典界面所用的模型，圖2.4中的葉片也是實(shí)心。兩模型在外觀上完全相同。圖2.3流固耦合模型（Workbench）圖2.4流固耦合模型（ANSYS經(jīng)典）雖然本文主要任務(wù)是有限元分析，但在此花了大量篇幅來對(duì)建模進(jìn)行敘述。主要是由于一個(gè)好的模型可以為后文分析的順利進(jìn)行提供更好的支持。3模態(tài)分析3.1模態(tài)分析概述機(jī)械設(shè)計(jì)中，研究彈性體振動(dòng)問題的重要目的就是避免共振，具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看成是多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，具有多個(gè)固有頻率，在阻抗試驗(yàn)中表現(xiàn)為多個(gè)共振區(qū)，這種在自由振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)所具有的基本振動(dòng)特性稱為結(jié)構(gòu)的模態(tài)。結(jié)構(gòu)模態(tài)是由結(jié)構(gòu)本身的特性和材料特性所決定的，與外載荷等條件無關(guān)。風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，也是風(fēng)力載荷直接作用的部件。對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)葉片，由于葉片自身的重量也是一個(gè)不可忽略的載荷，然后再加上一些外載荷的影響，風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中，很容易發(fā)生振動(dòng)，而導(dǎo)致葉片的破壞。為了避免葉片發(fā)生共振而造成破壞就需要對(duì)葉片就行模態(tài)分析，確定其固有頻率和振型，從而分析出其在外載荷作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。3.2葉片模態(tài)分析風(fēng)力機(jī)葉片的有限元分析4該模態(tài)分析的方法和常規(guī)的模態(tài)分析完全相同，選擇的單元類型為SOLID45。材料屬性參考了其它論文，選擇基體材料為環(huán)氧玻璃鋼，該材料的比強(qiáng)度、比模量、耐久性和耐腐蝕性都能滿足運(yùn)行環(huán)境的要求。其楊氏模量（EX）為1.92E10，泊松比（PRXY）為0.15，密度（DENS）為1850Kg/m3。葉片的有限元模型如圖3.1所示，其網(wǎng)格劃分模型放大圖如圖3.2所示。然后在葉根圖3.1有限元模型圖3.2網(wǎng)格