大型風(fēng)力機(jī)葉片有限元建模研究

張 軍，武美萍

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122)

大型風(fēng)力機(jī)葉片有限元建模研究

張 軍，武美萍

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122)

介紹了基于ANSYS軟件的大型風(fēng)力機(jī)葉片有限元模型的直接建模方法，詳細(xì)闡述了ANSYS自底向上建模過程和步驟。對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型單元定義、材料參數(shù)定義、網(wǎng)格劃分等進(jìn)行了深入討論，為更好地進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析和鋪層優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

風(fēng)力機(jī)葉片;ANSYS;有限元建模;鋪層

從可再生能源的發(fā)展趨勢(shì)來看，風(fēng)能是最廉價(jià)、最清潔、最具開發(fā)價(jià)值的。風(fēng)能憑借其商業(yè)潛力和環(huán)保效益，在全球的新能源行業(yè)中創(chuàng)造了最快增速，已經(jīng)形成了一個(gè)規(guī)模巨大的風(fēng)力發(fā)電工業(yè)［1］。風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力機(jī)的核心部件，是風(fēng)力機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的重要組成部分，從這個(gè)意義上講，風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)是極為重要的［2］。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體，以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件［3］。要對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行有限元分析，必須獲得對(duì)應(yīng)的葉片模型。若通過Pro/E等建模后再導(dǎo)入ANSYS中，在導(dǎo)入過程中信息丟失和失真現(xiàn)象很嚴(yán)重，最突出的是一個(gè)表面出現(xiàn)很多互相搭接重疊的面、一條線變成很多重疊的線等［4］。而使用 ANSYS軟件直接建模能真實(shí)地模擬和反映葉片的模型，為后續(xù)的有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供模型基礎(chǔ)。

1 葉片建?；A(chǔ)

1.1 葉片翼型選擇原則

風(fēng)力機(jī)葉片通常由翼型系列組成，常用的有NACA等航空翼型系列和SERI、FFA－W等專用翼型系列。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需要，翼型選擇依據(jù)也各不相同，主要選擇依據(jù)為:

a.大型風(fēng)力機(jī)葉片優(yōu)選相對(duì)厚度較大且對(duì)粗糙度不敏感的翼型。

b.定槳距葉片的風(fēng)電機(jī)組由于需要利用葉片失速特性對(duì)風(fēng)輪功率進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，應(yīng)優(yōu)選風(fēng)電機(jī)組專用翼型;如果需選擇航空翼型，則應(yīng)優(yōu)選失速性能好的翼型。

c.變槳距葉片的風(fēng)電機(jī)組多先選擇統(tǒng)一翼型，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)翼型的弦長(zhǎng)、扭角等進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化;當(dāng)功率較大時(shí)，采取組合翼型的方式，即根據(jù)葉片氣動(dòng)性能和力學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)不同部位的要求，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片根部、中部和尖部分別選用不同翼型，使葉片的功率利用性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。

變槳距葉片組合翼型方式是現(xiàn)階段葉片發(fā)展的主流方式，本文選用的葉片翼型為:NACA63－421、NACA63－418和 NACA63－415，翼型數(shù)據(jù)可通過Profili軟件獲得。

1.2 翼型截面數(shù)據(jù)處理

葉片不同的截面位置有不同的翼型、弦長(zhǎng)和扭角，在繪制翼型截面時(shí)必須首先選定所要繪制的截面的位置。本文所用葉片截面的位置、翼型、弦長(zhǎng)、扭角等部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 葉片截面數(shù)據(jù)

由Profili軟件獲得的數(shù)據(jù)(表2所示僅為其中一種翼型的部分?jǐn)?shù)據(jù))需經(jīng)過一系列的處理。本文采用基于點(diǎn)的坐標(biāo)的幾何變化理論求解葉片各截面在空間實(shí)際位置的三維坐標(biāo)［5］，主要分兩步實(shí)現(xiàn):

表2 NACA63－421翼型數(shù)據(jù)

第一步，平移變換求解二維坐標(biāo)。

將以前緣為原點(diǎn)、弦長(zhǎng)方向(前緣→后緣)為X軸正向的原始翼型數(shù)據(jù)平移變換成以翼型氣動(dòng)中心為原點(diǎn)、弦長(zhǎng)方向(前緣→后緣)為X軸正向的二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。設(shè)平移變換后的二維坐標(biāo)為(x1，y1)，則

式中:(x0，y0)為原始翼型數(shù)據(jù);(X，Y)為對(duì)應(yīng)翼型的氣動(dòng)中心坐標(biāo)。

第二步，旋轉(zhuǎn)變換求解三維坐標(biāo)。

將平移變換后的坐標(biāo)乘以對(duì)應(yīng)截面處的弦長(zhǎng)，得到實(shí)際弦長(zhǎng)對(duì)應(yīng)處的離散坐標(biāo)值，然后將這些離散坐標(biāo)通過旋轉(zhuǎn)變換，即可得到實(shí)際的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。設(shè)實(shí)際弦長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的二維坐標(biāo)為(x2，y2)、實(shí)際空間三維坐標(biāo)為(x，y，z)，其中，(x2，y2) =(x1，y1) ×L，則

式中:r為各翼型截面到葉根的距離;L為弦長(zhǎng);α為各翼型截面的扭角。由于反正切函數(shù)值的取值范圍為(－π/2，π/2)，因此在計(jì)算過程中應(yīng)特別注意x，y的正負(fù)號(hào)。通過Excel軟件可輕松實(shí)現(xiàn)上述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果保存為文本文件(*.txt文件)，格式如下所示:

2 葉片有限元建模

2.1 創(chuàng)建葉片葉素

打開ANSYS軟件，進(jìn)入菜單“Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints”，通過菜單“File→Read input from”導(dǎo)入事先保存的翼型數(shù)據(jù)文本文件(*.txt文件)，文件中的各點(diǎn)就以Keypoint的形式被導(dǎo)入，圖1所示為NACA63－421、NACA63－418和NACA63－415翼型數(shù)據(jù)導(dǎo)入后的Keypoint分布情況。

圖1 各翼型關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)

點(diǎn)擊菜單“Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→Spline thru KPs”，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)選Keypoint或者輸入Keypoint各點(diǎn)的序號(hào)，將各點(diǎn)按順序連接，繪制翼型上、下兩個(gè)弧線，獲得葉素截面外形輪廓，圖2所示為NACA63－421、NACA63－418和NACA63－415翼型輪廓。

圖2 各翼型輪廓

以葉片根部r=0的葉素平面為XOY平面，葉展方向(葉根→葉尖)為Z軸正向。通過菜單“Pre-processor→Modeling→Create→Lines→Arcs”繪制葉根圓后，運(yùn)用“Utility Menu→Workplane→Offset WP to→XYZ Locations”操作移動(dòng)工作平面，將工作平面依次移動(dòng)到各翼型所在半徑處并繪制出各截面翼型輪廓。通過菜單“Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→Straight Line”分別連接各葉素翼型的前、后緣，葉根圓與翼型即得到葉片的外部輪廓線圖，如圖3所示。

圖3 葉片外部輪廓線圖

2.2 創(chuàng)建葉片表面

由于大型風(fēng)力機(jī)葉片蒙皮均為非等厚度復(fù)合材料鋪層而得到，整個(gè)葉片在徑向和周向的鋪層結(jié)構(gòu)和厚度都不相同。故在創(chuàng)建葉片表面時(shí)，就應(yīng)該將厚度相同部分的邊界線通過“Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→By Line”操作分別創(chuàng)建蒙皮表面，整個(gè)葉片由若干小區(qū)域拼接而成。此時(shí)葉片的模型都是由Areas組成，符合現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片薄壁的形式特點(diǎn)，ANSYS軟件中有專門的單元對(duì)薄壁問題進(jìn)行分析，故無需將葉片三維實(shí)體化。創(chuàng)建的葉片表面如圖4所示。

圖4 葉片表面圖

2.3 添加輔助結(jié)構(gòu)

葉片的輔助結(jié)構(gòu)有翼梁和填充材料等。翼梁由凸緣和腹板組成，其上、下端通過梁帽與蒙皮相連。制造翼梁的材料最早以鋁合金為主，現(xiàn)在隨著葉片體積的不斷增大，鋁合金已不能完全滿足葉片高強(qiáng)度、低比重的要求，所以翼梁材料也逐漸被玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料所取代［2］。創(chuàng)建翼梁結(jié)構(gòu)的操作為:“Preprocessor→Modeling→Lines→Lines→Overlaid on Area”、“Area→Arbitrary→By Line”。

填充材料多為硬質(zhì)泡沫塑料或蜂窩材料，多置于靠近葉片后緣處，對(duì)于如矩形梁這類由“三腔”組成的葉片，也可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)后腔進(jìn)行完全填充。由于葉片填充材料對(duì)葉片的整體性能影響不大，故在建模時(shí)不考慮。需要指出的是，若要實(shí)現(xiàn)非常精確的風(fēng)力機(jī)葉片有限元建模，可將這些填充材料以Volume的形式填充到葉片中，并視為各向同性材料。

2.4 定義單元類型

若采用實(shí)體單元來模擬，由于復(fù)合材料多層板殼的層數(shù)一般有十幾層到百余層之多，從厚度方向上來看，至少每一層都要?jiǎng)澐殖鲆粋€(gè)單元。如果在中面上劃分的網(wǎng)格密集，則計(jì)算機(jī)的硬件配置要求較高;如果在中面上劃分的網(wǎng)格稀疏，則三維單元都成了薄片狀，使得總體剛度矩陣出現(xiàn)病態(tài)［6］。

若采用多層板殼單元模型來表達(dá)風(fēng)力機(jī)葉片，殼單元雖然沒有厚度，但當(dāng)把復(fù)合材料的物理屬性賦給每一個(gè)單元后，殼單元完全可以模擬復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

ANSYS中用于建立復(fù)合材料模型的單元主要包括 Shell99、Shell91、Shell181、Shell190、Solid46、Solid186和Solid191這7種單元，本文采用線性層狀結(jié)構(gòu)殼單元Shell99，相應(yīng)的操作為“Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete”。

2.5 定義材料性能參數(shù)

材料性能參數(shù)定義主要包括實(shí)常數(shù)定義和材料屬性參數(shù)定義兩方面，一般情況下，有限元程序沒有單位，只有在給定材料參數(shù)時(shí)，其數(shù)值本身才含有某特定單位。因此，在定義材料屬性時(shí)，一定要注意單位的統(tǒng)一性。

本文選擇Shell99作為風(fēng)機(jī)葉片有限元模型的單元類型，由于選擇的材料為復(fù)合材料，故在進(jìn)行材料性能參數(shù)設(shè)定時(shí)，主要需要定義的實(shí)常數(shù)主要有3個(gè):實(shí)常數(shù)定義材料號(hào)(MAT)、鋪層方向(THETA)和厚度(TK)。相應(yīng)的操作為:“Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete”。

蒙皮、主梁是葉片有限元模型主要組成部分(不考慮填充物)，均為正交各向異性材料，需要設(shè)定的基本材料參數(shù)有9個(gè):彈性模量EX/EY/EZ、泊松比PRXY/PRYZ/PYRXZ或者NUXY/NUYZ/NUXZ和剪切模量GXY/GYZ/GXZ。相應(yīng)的操作為:“Preprocessor→Material Props→Material Models”。

2.6 劃分葉片模型網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，所劃分的網(wǎng)格形式和大小直接影響計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模。單元尺寸的縮小意味著單元數(shù)目的增加，而單元數(shù)目的增加會(huì)對(duì)分析結(jié)果中位移值和應(yīng)力值等產(chǎn)生影響。有限單元不僅要求滿足完備性要求，還要滿足協(xié)調(diào)性要求，因?yàn)橹挥羞@樣的單元求出的解才是收斂的。因此，劃分網(wǎng)格時(shí)必須考慮網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格密度，單元屬性，網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格的分界面、分界點(diǎn)以及網(wǎng)格布局等眾多因素［7］。對(duì)應(yīng)的操作為:“Preprocessor→Meshing→Mesh Tool”。葉片有限元模型如圖5所示，共有節(jié)點(diǎn)3 206個(gè)，單元1 265個(gè)。蒙皮鋪層方案如圖6所示，共40層，由［±45°/0°/90°］組成(ANSYS 軟件只能顯示20層)。

圖5 葉片網(wǎng)格劃分圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過基于點(diǎn)的坐標(biāo)的幾何變化理論求解翼型數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)，采用ANSYS軟件自底向上直接創(chuàng)建大型風(fēng)力機(jī)葉片有限元模型。建立的風(fēng)力機(jī)葉片有限元模型較真實(shí)地反映了葉片實(shí)物狀態(tài)，能為后續(xù)的靜、動(dòng)力學(xué)分析等有限元分析和葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供模型基礎(chǔ)。本文的建模方法對(duì)其他復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)有限元建模具有一定的參考價(jià)值。

圖6 葉片局部鋪層圖

［1］方函.風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展方興未艾 中國(guó)為全球第四大市場(chǎng)［J］.經(jīng)濟(jì)視角，2009(5):51 －52.

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［3］曾志華，虞偉建.ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2009，38(13):33 －37.

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Research on the Finite Element Model of Large Wind Turbine Blade

ZHANG Jun，WU Meiping
(Jiangnan University，Jiangsu Wuxi，214122，China)

It introduces a direct way to establish the finite model of blade based on ANSYS，expresses the steps and progress of modeling in a bottom to top way.At the same time，it seeks into the process of defining element types，material parameters and meshing deeply.This method provides conveniences for the future research of wind turbine blade，including structure design，strength analysis and layup optimization.

Wind Turbine Blade;ANSYS;Finite Element Model;Layup

TK83

A

2095－509X(2013)04－0024－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.006

2013－01－24

張軍(1986—)，男，四川遂寧人，江南大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。