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風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片的有限元分析
徐超 2022/12/6 21:26:59
（淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校 江蘇省淮安市 223200）
摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片在設(shè)計完成之后，翼型選擇是否合理、參數(shù)設(shè)計是否滿足要求，只能夠通過對葉片模型進(jìn)行有限元分析來實現(xiàn)，通過模擬分析，可以提前預(yù)判機(jī)組的力學(xué)性能，對進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計、機(jī)組的穩(wěn)定安全運行都具有重要的指導(dǎo)意義。本文分析了葉片在靜止工況和額定工況下的前10階模態(tài)，并在ANSYS中生成了前10階模態(tài)下的固有頻率分布，通過分析仿真結(jié)果，判斷計算頻率與葉片的理論頻率之間的誤差誤差很小，驗證了采用該方法進(jìn)行有限元仿真計算的合理性。
關(guān)鍵詞：風(fēng)輪葉片，優(yōu)化設(shè)計，有限元分析
本文以2MW水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動性能已試驗完畢的條件下，對機(jī)組葉片的靜強(qiáng)度性能、模態(tài)以及固有頻率進(jìn)行有限元分析，采用有限元軟件ANSYS，對建立的葉片三維模型進(jìn)行仿真計算，得到模型在靜載荷下的強(qiáng)度分布以及不同工況下的各階模態(tài)和固有頻率。再通過分析仿真結(jié)果，從而計算出葉片在各個模態(tài)下的頻率參數(shù)，通過對比各工況下的參數(shù)，最終得出葉片設(shè)計是否合理。
一、有限元模型的構(gòu)建
1.葉片三維模型的導(dǎo)入
首先在UG中建立了葉片的三維實體模型，要進(jìn)行有限元分析，需將模型導(dǎo)入至計算機(jī)仿真軟件中。本文使用的分析軟件為Ansys，則操作步驟為，先將模型以.Step格式保存，再打開Ansys軟件，直接讀入模型圖像，如圖1所示。
圖1 ANSYS界面中的葉片三維模型
2.模型材料以及性能參數(shù)的確定
在模型材料的選擇中，根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，確定材料為玻璃鋼。則相關(guān)力學(xué)特性如表1所示。
表1 材料力學(xué)性能參數(shù)
3.模型網(wǎng)格劃分
鑒于葉片模型離散化的思想，在對模型計算的時候，需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在劃分過程中，網(wǎng)格數(shù)量的多少、網(wǎng)格的疏密程度、質(zhì)量以及區(qū)域之間的分界點，都是考慮的重要因素�？梢哉J(rèn)為，模型的網(wǎng)格劃分，是有限元分析中最關(guān)鍵的一個步驟。因為任何一個因素的好壞都將直接影響仿真結(jié)果的精度。在本文中，由于葉片是由不規(guī)則光滑曲面構(gòu)成的整體，結(jié)合該特點，網(wǎng)格的類型為六面體，合計42679個單元，71523個節(jié)點，如圖2所示。
圖2 模型網(wǎng)格劃分
4.邊界條件的設(shè)定
邊界條件的設(shè)定，其本質(zhì)上來說，就是模擬實際運行狀況下的載荷作用情況，給模型施加相似的約束。在該機(jī)組中，所施加的約束條件為：（1）在葉片的迎風(fēng)面上，氣動載荷均勻加載；（2）葉片上的區(qū)域，離心力與重力載荷直接作用。
二、葉片模型的強(qiáng)度分析
風(fēng)力機(jī)葉片在靜載荷作用時，只可能處于停機(jī)狀態(tài)。在該狀態(tài)下，葉片的受力類型僅為重力。在停機(jī)的工況下，葉片承受靜載荷也容易發(fā)生變形、斷裂等情況。因此，針對停機(jī)工況設(shè)定載荷進(jìn)行強(qiáng)度分析。邊界條件的設(shè)定區(qū)域為葉片迎風(fēng)面，加載均布靜載荷36000N。計算結(jié)果如圖3所示。
由圖3可見，若機(jī)組停機(jī)時，葉片承受最大應(yīng)力的區(qū)域是根部，而變形量最大的部分是葉尖。面臨極端工況的條件，對于整個葉片而言，雖有一定的變形產(chǎn)生，卻因整體結(jié)構(gòu)承載較為均勻，且最大載荷強(qiáng)度小于材料的許用應(yīng)力極限，葉片不會發(fā)生斷裂的情況。此時需要注意的問題是，變形后葉片與塔架之間必須存在間隙，且尺寸為初始狀態(tài)的5%以上。已知2MW水平風(fēng)力機(jī)組初始間隙為3m，變形后的間隙為2.856m，顯然滿足要求，故從該葉片的仿真結(jié)果來看，設(shè)計是合理的。
圖3 狀態(tài)1葉片受載變形圖
三、風(fēng)力機(jī)葉片模態(tài)仿真
1.靜止工況下的葉片模態(tài)分析
在靜止工況下，施加載荷約束后，選擇分塊法為迭代計算方法，計算模型的十階頻率，計算結(jié)果如表2所示，十階模態(tài)沿X、Y坐標(biāo)方向如圖4所示。
表2 靜止工況的固有頻率（Hz）
模態(tài)數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
頻率Hz 1.094 1.856 3.401 4.432 9.565 12.127 18.403 22.725 28.105 30.997
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