隨著風(fēng)力機(jī)葉片大型化,葉片載荷水平不斷提高,對其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求越來越高。以NREL 5MW風(fēng)力機(jī)葉片為分析對象,利用葉素-動量理論及其修正方法編程計算葉片風(fēng)載荷,采用有限元軟件ANSYS開展葉片的靜力學(xué)和模態(tài)固有特性分析,分析了葉片葉尖變形量與腹板厚度的關(guān)系,掌握了葉片關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布情況,獲得了葉片低階模態(tài)振動與固有頻率,將為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度校核及優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 

【文章來源】：機(jī)械研究與應(yīng)用. 2018,31(04)

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

葉片截面結(jié)構(gòu)示意圖

Shell181，厚度實參數(shù)為5mm。葉片的蒙皮材料為玻璃鋼，腹板為碳纖維。玻璃鋼(FRP)的彈性模量為20GPa，泊松比為0．15，密度為2000kg/m3;碳纖維(T700)的性模彈量為250GPa，泊松比為0．3，密度為1800kg/m3。根據(jù)實際工作情況，將葉根與輪轂處視為剛性連接，其根部節(jié)點的六個自由度完全被約束固定，在Ansys中對葉片根部施加約束的效果;將葉片每區(qū)域段受到的風(fēng)載荷(見表1)進(jìn)行分段等效彎矩簡化處理，加載在每個區(qū)域段的有限個節(jié)點上。葉片單元數(shù)為92938個，其有限元網(wǎng)格模型與加載情況如圖2所示。圖1葉片截面結(jié)構(gòu)示意圖圖2葉片有限元分析模型3葉片靜力學(xué)與模態(tài)特性分析3．1葉片靜力學(xué)分析結(jié)果葉片腹板厚度決定著葉片截面抗剪性能，同時，為了減輕葉片質(zhì)量，要求盡可能地減少腹板厚度。由于迎風(fēng)型風(fēng)力機(jī)葉片在風(fēng)載荷作用下的變形量過大時，容易與塔架發(fā)生碰撞，通常規(guī)定運行時葉尖變形量不能超過靜止條件下葉尖與塔架距離的70%。根據(jù)NREL5MW風(fēng)力機(jī)的設(shè)計參數(shù)，靜止時葉尖與塔架的距離約為13．22m，因此，風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速下葉尖最大變形量為9．25m。采用有限元軟件ANSYS分析不同腹板厚度下葉尖的變形量，采用曲線擬合得到的腹板厚度與葉尖變形量的關(guān)系如圖3所示，進(jìn)而確定腹板厚度為14．97mm。圖3葉尖變形量與腹板厚度關(guān)系曲線基于ANSYS軟件開展葉片在額定和切出風(fēng)速作用下葉片的應(yīng)力分布情況，如圖4所示。從圖5(a)可以看出，葉片翼型從圓柱過渡到DU翼型處和上下蒙皮與腹板接觸的部位存在應(yīng)力集中，其最大應(yīng)力為1330MPa，碳纖維許用應(yīng)力為2000MPa，符合設(shè)計要求。從圖5(b)可以看出，葉片上下蒙皮與腹板的最大應(yīng)力達(dá)到10489MPa，因此，需要采取適當(dāng)程度的變槳來減少葉片的迎風(fēng)面積，降低作用在葉片上的風(fēng)載荷。圖4葉

Ｐ?3葉片靜力學(xué)與模態(tài)特性分析3．1葉片靜力學(xué)分析結(jié)果葉片腹板厚度決定著葉片截面抗剪性能，同時，為了減輕葉片質(zhì)量，要求盡可能地減少腹板厚度。由于迎風(fēng)型風(fēng)力機(jī)葉片在風(fēng)載荷作用下的變形量過大時，容易與塔架發(fā)生碰撞，通常規(guī)定運行時葉尖變形量不能超過靜止條件下葉尖與塔架距離的70%。根據(jù)NREL5MW風(fēng)力機(jī)的設(shè)計參數(shù)，靜止時葉尖與塔架的距離約為13．22m，因此，風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速下葉尖最大變形量為9．25m。采用有限元軟件ANSYS分析不同腹板厚度下葉尖的變形量，采用曲線擬合得到的腹板厚度與葉尖變形量的關(guān)系如圖3所示，進(jìn)而確定腹板厚度為14．97mm。圖3葉尖變形量與腹板厚度關(guān)系曲線基于ANSYS軟件開展葉片在額定和切出風(fēng)速作用下葉片的應(yīng)力分布情況，如圖4所示。從圖5(a)可以看出，葉片翼型從圓柱過渡到DU翼型處和上下蒙皮與腹板接觸的部位存在應(yīng)力集中，其最大應(yīng)力為1330MPa，碳纖維許用應(yīng)力為2000MPa，符合設(shè)計要求。從圖5(b)可以看出，葉片上下蒙皮與腹板的最大應(yīng)力達(dá)到10489MPa，因此，需要采取適當(dāng)程度的變槳來減少葉片的迎風(fēng)面積，降低作用在葉片上的風(fēng)載荷。圖4葉片應(yīng)力分布情況圖3．2葉片模態(tài)固有特性分析結(jié)果基于ANSYS軟件進(jìn)行葉片模態(tài)分析，提出葉片前20階模態(tài)振動結(jié)果，葉片固有頻率如表2，部分模態(tài)振型如圖5所示。表2葉片前20固有頻率/Hz階次頻率階次頻率10．655114．98121．156125．33532．211135．50743．473145．74153．821155．88964．089166．02574．139176．22584．361186．42794．539196．667104．748206．767圖5葉片部分低階模態(tài)振型·44·研究與試驗2018年第4期(第31卷，總第156期)·機(jī)械研究與應(yīng)用·

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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本文編號：3453030