基于Abaqus的大型风力机叶片有限元分析

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文章编号：1001-3997（2012）05-0014-02

机械设计与制造

MachineryDesign＆Manufacture

第5期2012年5月

基于Abaqus的大型风力机叶片有限元分析*

程杰袁祖强陆金桂

）（南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009

Finiteelementanalysisoflargewindturbinebladebasedonabaqus

CHENGJie，YUANZu-qiang，LUJin-gui

（TheMechanicalEngineeringofNanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，China）

【摘要】研究了大型风力机叶片有限元模型建立的方法及对叶片进行了静力学和动力学分析。

首先将由Pro/E绘制好的叶片实体模型导入Abaqus中，利用Abaqus对叶片进行划分网格、定义材料属性以及确定边界条件及施加载荷，完成叶片有限元模型的建立；然后对叶片进行模态分析、抵抗50年振型和各工况下的最大应力及其一遇暴风及额定工作状态下的静力学分析，得出叶片的前十阶频率、所在位置。通过分析表明叶片的静力学和动力学性能均符合设计要求，可以对叶片进行后续的研究。

关键词：风力机叶片；Abaqus；有限元分析；模态分析；静力学分析

【Abstract】Thefiniteelementmodelingmethodandstaticsanddynamicsanalysisforlargewindtur－binebladearediscussed.FirstthesolidmodelingofbladewasimportedfromthePro/EintotheAbaqustopletethefiniteelementmodel.Secondthemodalanalysisandthestaticanalysisofthebladeinresistancetoaswellasthemaximumstressanditssiteofthebladecouldbeobtained.Theresultsshowthatthestaticanddynamicperformanceofthebladeconformstothedesignrequirementssothatfurtherresearchcouldgoon.

Keywords：Windturbineblade；Abaqus；FEA;Modalanalysis；Staticanalysis

文献标识码：A

中图分类号：TH16，TK8

meshtheblade，definethematerialpropertiesaswellasdeterminetheboundaryconditionandloadandcom－50yearsoncestormandinratedoperationwereaccomplished，andthefirsttenfrequency，modeofvibration

1引言

国外很多学者都进行过针对叶片的分析研究，但研究方法有些学者主要从理论上对叶片的动态特性进行和目的各不相同。

计算和分析，从而得出叶片的振动方程；另外一些学者就叶片的几种简化模型进行讨论，并提出自己认为比较合适的模型；有些则是以优化为目的对叶片的振动特性进行有限元分析；另外一些人则结合实验对叶片的某些部位进行了强度分析，这些分析都没有对叶片有限元模型的建立、分析等给予详细介绍[1]。

有限元模型的建立是对风力机叶片进行力学分析的基础，其有限元模型的精度至关重要，有限元模型在叶片设计初期对方案的选择起到参考作用。

叶片的静力学分析是从整体上分析叶片结构应力和应变分布规律，系统分析叶片结构的受力特点，校核叶片的强度，并为铺层设计提供参考[2]。

风力机的叶片作为一种弹性结构，且工作时作周期性旋转，作用在其上的载荷具有交变性和随机性。为了防止叶片发生共振疲劳破坏，有必要对叶片进行振动特性分析。将以有限元软件Abaqus为基础，对大型风力机叶片有限元模型的建立、分析进行深入研究和探讨。

2叶片有限元模型的建立

首先在Abaqus中建立叶片的实体模型，再利用Abaqus中

＊来稿日期：2011-07-12＊基金项目：国家自然科学基金资助项目（E050602）

件及载荷进行求解。

的网格划分工具进行网格的划分，最后对模型施加相应的边界条

2.1叶片实体模型

考虑到叶片的曲面复杂，难以在Abaqus中实现精确建模，因此为了提高建模精度，将由Pro/E软件绘制好的叶片模型导入有限元软件Abaqus中。

叶片模型主要参数为：额定风速11m/s，叶片长37.3m，转速范围（9~17.3）r/min。

2.2网格的划分

网格的划分是数值模拟过程中最为耗时的部分，且网格的质量很大程度上决定着数值模拟结果精确程度甚至数值模拟是否收敛。网格划分过程中，应避免求解区域中出现极度变形的网小角度及硬点，以保证求解的收敛及计算精度。格、

图1叶片的网格模型

利用Abaqus中的网格划分工具，对叶片进行网格划分。为保证网格划分质量，首先需要对叶片进行切割，将叶片分割成几

第5期

程杰等：基于Abaqus的大型风力机叶片有限元分析15

段；然后采用扫描网格划分技术和六面体单元对叶片进行网格划

分，叶片的网格模型，如图1所示。

2.3材料属性

选用环氧玻璃钢作为叶片材料，叶片主要参数，如表1所示。

表1环氧玻璃钢材料性能

密度ρ（kg/m3）泊松比ε

展向弹性模量（Pa）

剪切弹性模量（Pa）

19500.2

1.96×1010

2.5×107

取玻璃钢静强度极限σb=225MPa，条件疲劳极限为σ-1=40.4MPa[3]。

2.4边界条件及载荷

叶片根部通常是由根部截面通过过渡表面到达轮毅部分的不完全约束，在单叶片计算中简化为对于整个根部截面的完全约束[4]。因此，在模型中对叶片根部截面的6个自由度进行全约束，叶片另一端面自由。

风力机在停机工况下，作用于叶轮上的载荷同作用于建筑物之上的载荷一样，较容易计算。风力机在运行工况下，风轮叶片的受力情况比较复杂，为研究方便，简化为空气动力、离心力及重力。空气动力使叶片承受弯曲和扭转力；离心力使叶片承受拉伸、弯曲及扭转力；重力则使叶片承受拉压、弯曲及扭转力[5]。

3叶片的模态分析

叶片在工作状态下不停的旋转，各种激振力几乎都是经由叶片传递出去。无论是地表附面层形成的不均匀气流，还是重力的影响以及阵风等因素，都是作用于叶片上。

同时叶片还是一个典型的气弹性元件，在旋转过程中不但承受机械振动而且还要承受气动力，作用其上的载荷具有交变性和随机性，因而其必然会发生振动。因此，叶片的振动特性分析就显得尤为重要。

利用有限元分析软件Abaqus建立一个叶片的模态分析模型，提取叶片的前十阶频率，其结果如图2所示。

由图2可以得出，叶片的最低固有频率为f1=0.50136Hz，对应转速为30.0816r/min。叶片的第一、第二阶振型图，如图1、图2所示。以弯曲振动为主。

图2叶片前十阶频率

图3叶片一阶振型

图4叶片二阶振型

4叶片抗50年一遇暴风强度分析

根据《根据中华人民共和国机械行业标准—风力发电机组设计要求》和其他一些风力机行业设计手册的要求：风力机在寿命期内，叶片静强度要能抵抗50年一遇的暴风，取暴风风速为50~65）m/s。风力机遭受暴风时，机组处于停机状态，此时叶片所受的载荷为气动载荷及重力载荷，如图5所示。

（S，AvgMises

：75%）

+8.913e+04+8.171e+04+7.428e+04+6.685e+04+5.942e+04+5.200e+04+4.457e+04+3.714e+04+2.972e+04+2.229e+04+1.486e+04+7.436e+03+8.943e+00

图5叶片抗50年一遇暴风时应力状态

风力机叶片遭遇暴风时，最大应力在叶片根部处，大小为

89.13MPa。

5叶片额 …… 此处隐藏：5003字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……