基于ANSYS大型風機葉片葉根吊裝夾具設計

白 泉，程玉蘭

(湖南工程學院 機械工程學院，湘潭 411101)

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基于ANSYS大型風機葉片葉根吊裝夾具設計

白 泉，程玉蘭

(湖南工程學院 機械工程學院，湘潭 411101)

大型風機葉片具有長、重、大等特點，這為葉片的起吊帶來了極大的不便.以24 m長的風機葉片作為研究對象，對其葉根部位進行了吊裝夾具的結構設計，利用Pro/E三維造型軟件建立模型，再將模型導入有限元軟件ANSYS中進行預應力靜態(tài)分析，結果表明，夾具體變形滿足設計要求.

吊裝夾具；風機葉片葉根；有限元分析；ANSYS

0 引 言

葉片是風力發(fā)電機組有效捕捉風能的關鍵部件，在發(fā)電機功率一定的條件下，如何提高發(fā)電效率，捕獲更大的風能，一直是風力發(fā)電追求的目標，而捕捉風能力的提高與葉片的外形、長度和面積有著密切的關系.葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料.葉片的材料越輕、強度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強，葉片就可以做得越大，它的捕風能力也就越強[1-3].隨著當前大型風力發(fā)電機組單機容量的急速增加，其葉片的長度也隨之增加，葉片長度增加勢必增加葉片的重量，這對葉片的吊裝造成極大的不便.因此我們需要設計一個風機葉根吊裝夾具將大型葉片從模具中吊出.

本文以24 m長的風機葉片作為研究對象，對其葉根部位進行吊裝夾具設計，并利用有限元軟件ANSYS對吊裝夾具模型進行預應力靜態(tài)分析，驗證是否滿足設計要求，為將來進行類似葉根吊裝夾具的優(yōu)化設計，提供一定的理論依據.

1 葉根吊裝夾具設計

葉根吊裝夾具是一個非標準夾具，不是機械加工的夾具，而是吊裝所用的夾具.由于大型風機的葉片具有長、大、重的特點，因此葉片的制造是通過注射模具來實現的，當注射模型成功后，合模時，就需要用到吊裝夾具插入到葉根部位將整個葉片從模型中取出.

下面以長度為24 m的風機葉片進行吊裝夾具方案設計.它的主要參數是內徑為1710 mm，外徑為1890 mm，重量為3 t，設計時要保證能承受4 t的載荷.考慮到吊裝夾具的通用性和特殊性，夾具可以根據葉片的大小型號而設計各零部件相應的尺寸，然后將其焊接而成，所以該夾具是一個焊接件.圖1為葉根吊裝夾具設計圖.與葉片的根部裝配之后的葉根吊裝夾具總裝圖如圖2所示.

風機葉片葉根部位的定位是通過底板、上板和檔板來實現的，三塊板完全限制了風機葉片的六個自由度，而由于該吊裝夾具為非機床夾具，并不是對零件進行加工所用，不需要太多的精度要求.

葉根的內徑是1710 mm的圓柱形，可以將底板的上表面設計為弧形面，下表面設計為水平面，同時在夾具和葉根內徑中間墊上橡膠圈來防止夾具對葉根內表面碰傷，橡膠墊圈厚度約10 mm，所以弧形的半徑為(1710-10×2)÷2=845 mm；為避免夾具產生過定位，可以將上板設計為一塊平板，這樣風機葉根和上板為線接觸而非面接觸，限制了風機葉片縱向的移動.上板的尺寸設計為長250 mm×寬300 mm×厚20 mm的一塊水平板；吊板是承受較大力的一個部件，選擇S-BW3.25-5/8型卸扣，其銷孔直徑為30 mm，于是吊板設計尺寸為：中間孔直徑30 mm，中心距下表面60 mm；高度為100 mm，長度與上板相同為250 mm；筋板1的作用是提高吊板的抗拉強度，防止被拉斷，因此筋板1的設計尺寸是長度為50 mm，板厚取10 mm，高度與吊板同高為100 mm；筋板2的設計尺寸為：板厚為20 mm，側邊與吊板同高為100 mm，底與上板同長250 mm；筋板3提高底板與擋板之間的抗拉強度，設計為兩塊，尺寸為：上邊長度為400 mm，側高為50 mm，厚度為10 mm；擋板的設計為：長度為300 mm與上板、底板同長，厚度為20 mm與上板、底板相同.葉根的厚度為(1890 mm-1710 mm)÷2=90 mm(風機葉根外徑為1890 mm，內徑為1710 mm).擋板的高度為上底與底板厚度、中間橡膠墊圈的厚度、吊板高度、筋板3側高、葉根厚度之和為20 mm+20 mm+20 mm+100 mm+ 50 mm+90 mm=300 mm；拉板的作用提高抗彎強度，設計尺寸為長度與擋板同高為300 mm, 厚度為20 mm，弧面距底面高度設計為60 mm,圓弧的中心點應取在底板最長端與上板最長端之間,取R=390 mm.

圖1 葉根吊裝夾具設計圖

圖2 葉根吊裝夾具總裝放大圖

2 大型風機葉片葉根吊裝夾具有限元分析

本文采用有限元分析手段，運用ANAYS進行靜力學分析，觀察夾具體在承受一定的載荷作用下發(fā)生的變形，以及夾具體內部的應力和應變分布情況.ANSYS軟件提供了強大的與其他CAD系統(tǒng)(如UG、Pro/E)的接口[4-5]，通過Pro/E對整個夾具建三維模型，其模型圖如圖3所示，建模完成后將圖導入ANAYS進行分析.

圖3 三維模型圖

模型的單元類型選擇實體單元類型Solid45，材料選取為Q235A，彈性模量為2.15 MPa，泊松比為0.3，采取是自由劃分網格.吊裝過程中，夾具體的主要受力為圓孔的上半部，將圓孔的上半部進行約束.承力部件是底板，在底板上施加載荷，保證夾具體能承受4 t載荷，自動計算得到底板的面載荷為0.25 MPa/mm2，分析結果如圖4、圖5所示.

圖4 最大位移變化位置

圖5 承受4 t載荷的當量應力變化圖

由分析結果顯示，圖4的結果表明，底板處產生的形變最明顯，底板底端的最大位移量為2.016 mm， 圖5的結果表明，應力較為集中的是圓孔上半部和筋板3與擋板的結合處，而應力顯示的最大值為171.386 MPa(<σs=235 MPa)，滿足設計使用要求，方案可行.

3 結 論

本文針對24 m大型風機葉片的葉根吊裝夾具進行了結構設計，并對夾具進行了三維模型建模和采用ANSYS做了靜態(tài)力學分析，結果表明，夾具能夠滿足使用要求.本文的研究還相當淺薄，還有一些問題需要進一步探討，比如：對于焊接部位要重新網格劃分，加強筋的具體合理位置布置還需要進一步分析.

[1] 張曉明.風力發(fā)電復合材料葉片的現狀與未來[J].纖維復合材料,2006 (2):60-63.

[2] 羅慧敏,張錦南,陳余岳,王冬生,王強華.我國大型風力發(fā)電葉片產業(yè)的現狀分析[J]. 太陽能，2008(11)：12-13.

[3] 陳紹杰.復合材料與風機葉片[J].高科技纖維與應用，2007,32(3):8-12.

[4] 郭 飚.基于有限元分析法的焊接夾具設計[J].工程機械，2010(10)：28-30.

[5] 武 福.基于ANSYS的車身柔性薄板焊接夾具優(yōu)化設計[J].機械研究與應用，2013,26(6)：110-113.

Hoisting-fixture Design for Root of Large Fan Vane Based on ANSYS

BAI Quan,CHENG Yu-lan

(College of Mech. Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China)

The large fan vane has many characteristics such as length, weight and big, which brings great inconvenience to the lifting of the blade. Taking 24 meters long fan blade as an example. the structure of hoisting-fixture of the root of fan vanes is designed. And then the fixture model is built by the software PROE,which is input to the ANSYS so that the pre-stressed static is analyzed.The result shows that the fixture meets the design reguirements.

hoisting-fixture; root of fan vane; finite element analysis；ANSYS

2014-10-13

湖南省教育廳科研資助項目(13C177)；湖南工程學院校級青年科研資助項目(xj1104)；國家自然科學基金資助項目(11472103).

白 泉(1981-)，女，碩士，講師，研究方向：智能材料與結構、振動力學.

TK83

B

1671-119X(2015)01-0028-03