復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片有限元模態(tài)分析

李建華,毛文貴,傅彩明

(湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湘潭 411101)

復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片有限元模態(tài)分析

李建華,毛文貴,傅彩明

(湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湘潭 411101)

動(dòng)態(tài)性能對(duì)葉片疲勞和可靠性有很大影響.為了減少動(dòng)態(tài)性能的影響,振動(dòng)研究常用于避免共振.目前,對(duì)葉片振動(dòng)研究的模型因?yàn)闆](méi)有全面考慮葉片的材料和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而存在不足,本文在abaqus環(huán)境下,建立復(fù)合材料葉片,劃分網(wǎng)格,施加約束,采用有限元方法進(jìn)行模態(tài)分析,得到六階固有振動(dòng)頻率、振型等參數(shù)值.同時(shí)討論復(fù)合材料葉片動(dòng)力剛化效應(yīng)對(duì)振動(dòng)的影響.為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的理論參考.

葉片;復(fù)合材料;模態(tài)仿真;動(dòng)力剛化

0 引 言

葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件之一,在風(fēng)能轉(zhuǎn)換中起主要作用.由于玻璃鋼/復(fù)合材料具有重量輕、耐腐蝕、剛度可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)外已普遍采用玻璃鋼/復(fù)合材料的葉片.風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的分析是風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)分析研究的重要方面.葉片的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度對(duì)風(fēng)力機(jī)的可靠性起重要作用.要求葉片具有精確的幾何結(jié)構(gòu)和良好的機(jī)械性能.葉片設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮空氣動(dòng)力學(xué)的影響,還要考慮葉片材料和結(jié)構(gòu)性能.動(dòng)態(tài)性能對(duì)其疲勞和可靠性有很大影響.為了減少動(dòng)態(tài)性能的影響,振動(dòng)研究常用于避免共振,使葉片的激振頻率遠(yuǎn)離本身固有頻率.因此,研究葉片的固有頻率顯得尤為重要.目前,很多對(duì)葉片振動(dòng)研究的模型因?yàn)闆](méi)有全面考慮葉片的材料和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而存在不足[1],風(fēng)力機(jī)葉片作為一彈性結(jié)構(gòu),作用于其上的載荷具有交變性和隨機(jī)性,因而發(fā)生振動(dòng)是必然的.風(fēng)力機(jī)葉片在正常工作時(shí),繞轉(zhuǎn)軸作大范圍的空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).葉片大范圍空間運(yùn)動(dòng)和葉片彈性變形之間的相互耦合將導(dǎo)致葉片剛度增大,即所謂動(dòng)力剛化現(xiàn)象[2],這給葉片動(dòng)力學(xué)分析建模和數(shù)值計(jì)算增加了復(fù)雜性.本文用虛擬樣機(jī)技術(shù)[3]的方法,采用大型非線性abaqus仿真系統(tǒng)[4]對(duì)復(fù)合材料葉片進(jìn)行模態(tài)仿真,研究其振動(dòng)頻率和振型,并探討動(dòng)力剛化對(duì)其振動(dòng)特性的影響.

1 葉片動(dòng)力特征方程和材料條件

1.1 葉片動(dòng)力特征方程

葉片由有限元離散化處理后,應(yīng)用瞬時(shí)最小勢(shì)能原理[5]可導(dǎo)出結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)微分方程

式中[M]、[C]和[K]——分別為葉片結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣;

若右端項(xiàng){F}={0},在非零的初始條件下,方程(1)有非零解,這時(shí)葉片處于自由振動(dòng)狀態(tài).由于沒(méi)有外載作用,方程的解反映了結(jié)構(gòu)本身固有的特性即頻率與振型.工程上,一般在討論葉片的這種固有動(dòng)力特性時(shí),不計(jì)阻尼作用,于是方程(1)可變?yōu)?

這就是葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力問(wèn)題的廣義特征值方程.式中求解的λ=ω2和{φ}分別為葉片結(jié)構(gòu)的特征值和特征矢量.

1.2 玻璃鋼/復(fù)合材料力學(xué)特性

風(fēng)機(jī)玻璃鋼葉片一般采用空腹加筋結(jié)構(gòu),玻璃鋼蒙皮的承載層一般有單向?qū)雍?5°層.前者主要承受軸向力,后者主要承受扭矩和剪力并提高抗彎剛度.鋪設(shè)方向主要的由O°(沿葉軸方向)±45°和90°鋪設(shè).單向?qū)雍?5°.層都是正交各向異性材料,沿同一方向鋪設(shè)的相同的單層具有4個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù),其沿主軸方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[6]為:

式中EL,ET,GLT——分別為單層板的展向、徑向彈性模量和剪切彈性模量;μLT(μTL)——泊松比.在形成葉片振動(dòng)特征值方程時(shí),應(yīng)按正交各向異性材料參數(shù)計(jì)算剛度矩陣.

2 葉片模態(tài)仿真

2.1 葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)翼型為NACA4412的葉片[7].風(fēng)機(jī)功率為 508 kW,額定轉(zhuǎn)速350 r/min.

葉片內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu),如圖1所示.玻璃鋼蒙皮承載結(jié)構(gòu)為單向?qū)优c45°層.單向?qū)硬牧蠟?∶1玻璃布,45°層采用l∶1玻璃布.空心葉片內(nèi)部加筋數(shù)目為2個(gè),加筋的材料與葉片材料特性相同的,葉片蒙皮單向?qū)硬牧蠀?shù)為:彈性模量EL=42.6 GPa,ET=16.5 GPa,GLT=5.5 GPa,泊松比 0.22;45°層材料參數(shù)為:彈性模量EL=17.5 GPa,ET=17.5 GPa,GLT=3.6 GPa,泊松比0.14,材料密度為1950 kg/m3.

圖1 葉片模型

2.2 葉片模態(tài)仿真

在三維模型軟件中建立葉片實(shí)體模型,導(dǎo)入仿真軟件abaqus中,根據(jù)軟件中的分層功能塊對(duì)葉片施加材料性能,在網(wǎng)格劃分中采用40節(jié)點(diǎn)和8節(jié)點(diǎn)沿翼型布點(diǎn),采用六面體劃分網(wǎng)格,共劃分了26054個(gè)單元,7950個(gè)節(jié)點(diǎn).計(jì)算針對(duì)單葉片進(jìn)行,其端部固定約束.葉片的前六階振型位移云圖如圖2所示.

圖2 葉片模態(tài)振動(dòng)位移云圖

對(duì)振型圖進(jìn)行分析,模態(tài)分析主要結(jié)果如表1所示.

表1 模態(tài)分析主要結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出,葉片以揮舞振型為主.當(dāng)?shù)谝浑A固有頻率為15.808 Hz,對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為952.8 r/min.由于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為350 r/min,遠(yuǎn)小于該臨界轉(zhuǎn)速,因此,葉片在正常的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象.

3 動(dòng)力剛化對(duì)固有頻率的影響

風(fēng)力機(jī)葉片工作時(shí),繞轉(zhuǎn)軸以一定角速度大范圍轉(zhuǎn)動(dòng),離心慣性力將影響葉片的變形,即其繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)與葉片變形之間相互耦合而導(dǎo)致葉片剛度增大,出現(xiàn)所謂動(dòng)力剛化.我們結(jié)合上面模態(tài)分析結(jié)果,在原部件基礎(chǔ)上加一個(gè)額定轉(zhuǎn)速為360 r/min,由于動(dòng)力剛化作用只與離心力有關(guān),而離心力與離心加速度相關(guān),離心加速度的大小取決于旋轉(zhuǎn)的角速度.下面分析葉片在工作狀態(tài)下,其固有頻率對(duì)動(dòng)力剛化效應(yīng)的敏感程度.

?

從表2中可以看出,剛化效應(yīng)對(duì)葉片振動(dòng)固有頻率的影響是隨葉片轉(zhuǎn)速增加而增大,在風(fēng)力機(jī)400 r/min速下,葉片剛化效應(yīng)對(duì)其固有頻率就已經(jīng)有較大影響.

4 結(jié) 論

通過(guò)abaqus有限元分析軟件,建立508 kw風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片,進(jìn)行模態(tài)仿真分析,并定量比較了葉片振動(dòng)固有頻率對(duì)動(dòng)力剛化效應(yīng)的敏感程度.從結(jié)果分析可得出結(jié)論如下:

(1)從模態(tài)分析結(jié)果中可以知道,葉片以揮舞振型為主,現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不存在共振問(wèn)題.

(2)葉片動(dòng)力剛化是葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)與其彈性變形相互影響的結(jié)果.轉(zhuǎn)速增高,慣性力對(duì)剛度的影響增大,葉片固有頻率的增加越多.

(3)采用仿真軟件分層施加葉片復(fù)合材料進(jìn)行模態(tài)分析,既可保證計(jì)算結(jié)果的可靠性又可縮短建模時(shí)間提高工作效率,對(duì)葉片結(jié)構(gòu)分析的實(shí)際工程應(yīng)用具有重要價(jià)值.

[1]晏水平,黃樹(shù)紅,韓守木.利用Euler梁模型計(jì)算汽輪機(jī)葉片靜頻和動(dòng)頻的傳遞矩陣法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,20(6):68-71.

[2]李德源,葉枝全,陳 嚴(yán).風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的多體動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2005,(4).

[3]Cheng Lv,Liwen Zhanga,Zhengjun Mua,Qingan Taib,Quying Zheng.3D FEM Simulation of the Multi-stage Forging Process of a Gas Turbine Compress or Blade[J].Journal of Materials Processing Technology,2008,198:463-470.

[4]He Yang,Mei Zhan,Yuli Liu.A 3D rigid-viscoplastic FEM Simulation of the Isothermal Precision Forging of a Blade with a Damper Platform[J].Journal of Materials Processing Technology,2002,122:45-50.

[5]李惠彬.振動(dòng)理論與工程應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006:44-50.

[6]孫珊霞.風(fēng)力發(fā)電葉片結(jié)構(gòu)及鋪放性能研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

[7]孫永泰.風(fēng)力機(jī)葉片外形參數(shù)化建模[J].上海:玻璃鋼2007,(2).

Finite Element Analysis for Composite Material Wind Rotor Blade Mode

LI Jian-hua,M AO Wen-gui,FU Cai-ming
(College of Mechanical Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

Dynamic stress of wind turbine blade has great influence on its reliability and fatigue life.In order to decrease the magnitude of dynamic stress,frequency modulation method is often used to avoid resonance.At present many models of calculating inherent vibration frequency of blade don＇t consider the randomness of many parameters(such as loading parameters,geometric parameters,material parameters)in practical operation.So this paper creates a composite material model for a wind turbine blade.Blade model is imported to abaqus environment for modal analysis.In view of the characteristics of fiber reinforces plastic,a mesh is built to carry out the model analysis,and the first 6 orders of the vibration frequencies and mode shapes are obtained by imposing certain bound on the root of blade.Meanwhile,the analysis results of the composite material blade considering stiffening effect are obtained.This method can shorten modeling time and improve working efficiency,and also it is the base for blade structure calculation and check and new product developing.

blade;composite material;modal analysis;dynamic stiffening

TK83

A

1671-119X(2011)01-0028-03

2010-09-13

湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(10C0552)

李建華(1976-),男,碩士,工程師,研究方向:虛擬樣機(jī)技術(shù)與仿真。