腹板鋪層參數(shù)對風力機葉片結(jié)構(gòu)性能的影響

楊瑞， 張志勇， 劉葉垚， 吳卓琦， 王恭喜

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院， 蘭州730050；2.甘肅省風力機工程技術(shù)研究中心， 蘭州730050)

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腹板鋪層參數(shù)對風力機葉片結(jié)構(gòu)性能的影響

楊瑞1,2， 張志勇1， 劉葉垚1， 吳卓琦1， 王恭喜1

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院， 蘭州730050；2.甘肅省風力機工程技術(shù)研究中心， 蘭州730050)

為研究腹板鋪層參數(shù)對風力機葉片結(jié)構(gòu)性能的影響。以某1.5 MW水平軸風力機葉片為研究對象，基于有限元分析方法，利用ANSYS軟件中梁單元模擬腹板鋪層，保持葉片前緣、后緣以及梁帽的鋪層形式不變，通過改變腹板鋪層角度、順序和不同鋪層角度的層數(shù)占整個鋪層層數(shù)的比例，得到多種研究方案，并對不同方案時的葉片進行模態(tài)分析。結(jié)果表明：腹板±45°鋪層較其他鋪層角度能夠更好的承受剪切載荷；腹板鋪層角度應(yīng)以±45°為主，且±45°鋪層占整個鋪層的58%左右時葉片結(jié)構(gòu)性能最好；為了減小各層之間的剪切應(yīng)力，應(yīng)避免0°鋪層和90°鋪層連續(xù)鋪放。

風力機；葉片；腹板；鋪層；模態(tài)分析

引言

葉片是風力機捕獲風能的關(guān)鍵部件，又是風力機力源、主要承載部件，對整個風力機安全運行起著關(guān)鍵作用[1]。隨著風電技術(shù)的發(fā)展，單機容量增大，葉片也越來越長，腹板對葉片性能的影響也越明顯。此外，風場中下游風力機運行過程中受到上游風力機尾流場的影響，同時，由于隨機變動的自然大氣環(huán)境中，風力機葉片的受力情況和運動狀況非常復(fù)雜[2]，良好的腹板結(jié)構(gòu)對風力機葉片能否正常穩(wěn)定運行至關(guān)重要。大型風力機葉片最主要的的構(gòu)造形式是由復(fù)合材料的上、下翼面及腹板構(gòu)成。腹板主要由鋪層和夾芯材料組成，鋪層的角度、順序、厚度及夾芯材料決定了腹板的性能，合理的腹板鋪層能夠有效提高葉片的強度和剛度，同時減少葉片質(zhì)量。為了保證葉片具有足夠的可靠性和安全性，對腹板鋪層參數(shù)與葉片結(jié)構(gòu)性能相互影響機理的研究至關(guān)重要。

國內(nèi)外許多學者對此進行了研究。張?zhí)m挺[3]等以距葉根14.6 m的一段為研究對象，研究了鋪層參數(shù)對風力機葉片靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能的影響。李成良[4]等人利用有限元商用軟件ANSYS，選用Shell91和Shell99復(fù)合材料殼單元，利用實常數(shù)面賦值法定義復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)。廖猜猜[5]等人編程建立了一種風力機葉片約束優(yōu)化設(shè)計模型，以風力機葉片主梁帽的鋪層厚度及位置為優(yōu)化設(shè)計變量，合理地設(shè)計了主梁帽的鋪層厚度。Jensen[6]等人對一個34 m全尺寸復(fù)合材料風電機組葉片在揮舞載荷作用下的失效進行了測試分析，對主要承載結(jié)構(gòu)箱型梁進行了全尺寸測試以及非線性有限元計算。李志敏[7]等，基于復(fù)合層壓板理論和有限元分析方法對大型風力機復(fù)合材料葉片鋪層設(shè)計及結(jié)構(gòu)特性進行了研究。李仁年[8]等人對大型風力機葉片鋪層及模態(tài)進行了分析，結(jié)果顯示大型風力機葉片梁帽的鋪層對頻率及相對位移影響最大。謝少軍[9]等基于試驗設(shè)計法對葉片鋪層結(jié)構(gòu)進行研究，得出0°纖維鋪層與±45°鋪層對強度的影響存在耦合作用，但是該方法工作量大。馮消冰[10-13]以工程常用鋪層角度為基礎(chǔ)，采用遺傳算法對復(fù)合纖維風機葉片根部及整體進行鋪層優(yōu)化設(shè)計。在目前的研究中，以腹板鋪層參數(shù)為研究對象的相對較少。

本文利用復(fù)合材料有限元法，針對某1.5 MW風力機葉片，基于ANSYS有限元分析軟件，研究分析腹板鋪層參數(shù)與葉片結(jié)構(gòu)性能相互影響機理，從而為葉片腹板鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供研究基礎(chǔ)。

1 葉片有限元模型

以某1.5 MW單腹板水平軸風力機葉片為研究對象。葉片長度40.5 m，風輪直徑83 m，最大弦長3.1 98 m，額定轉(zhuǎn)速17.3 2 r/min。葉片各截面參數(shù)見表1。

表1 葉片各截面參數(shù)

不考慮腹板位置對葉片性能的影響，運用ANSYS有限元分析軟件，基于APDL語言建立不同方案時葉片的參數(shù)化模型，如圖1 所示。圖2 為葉片截面,其中A3356、A162為梁帽，A316為前緣，A287為后緣，A7為腹板。

圖1 葉片有限元模型

圖2 葉片截面

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定機械部件的振動特征，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，是結(jié)構(gòu)承受動態(tài)載荷設(shè)計中的重要參數(shù)[14]。結(jié)構(gòu)整體的動力學平衡方程為：

Mu″+Cu′+Ku=F(t)

(1)

式中：M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，u、u′和u″分別為結(jié)構(gòu)整體各節(jié)點的位移向量、速度向量和加速度向量，F(xiàn)為結(jié)構(gòu)整體的外載荷向量。無阻尼模態(tài)分析是假設(shè)沒有阻尼和外力作用，則式(1)變?yōu)椋?/p>

Mu″+Ku=0

(2)

對于線性系統(tǒng)，式(2)解的形式為：

u=φicosωit

(3)

式中：φi為第i階模態(tài)對應(yīng)的振型特征向量，ωi為第i階模態(tài)的固有頻率，rad/s，t為時間。對風力機葉片，腹板鋪層將影響葉片結(jié)構(gòu)的剛度矩陣K和質(zhì)量矩陣M。腹板鋪層的改變最終影響葉片結(jié)構(gòu)頻率和葉片整體剛度特性發(fā)生變化。

3 鋪層方案

確定腹板鋪層需考慮的主要原則是：材料鋪層能夠滿足葉片剛度、強度的同時質(zhì)量最輕，且成型工藝簡單，成本低[15]。葉片腹板的主要作用是抗剪切，其鋪層的好壞直接影響到葉片結(jié)構(gòu)的動力學特性。ANSYS軟件中主要選擇殼單元SHELL99、SHELL91、SHELL181、SHELL190用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模[16]。本文在模擬計算葉片前緣、后緣及梁帽時選用SHELL181殼單元，腹板選用BEAM188梁單元。為提高風力機葉片整體剛性和穩(wěn)定性，腹板單元鋪層采用對稱形式，不考慮材料對腹板性能的影響，中間層夾芯材料選用PVC泡沫板，其兩側(cè)選擇玻纖/環(huán)氧材料。為了更好地研究腹板鋪層參數(shù)與風力機葉片的影響機理，鋪層都選用單軸向布。單元鋪層如圖3 所示。

圖3 葉片單元鋪層圖

圖3中材料1為玻纖/環(huán)氧材料，厚度為0.015 m，中間夾層2為PVC，厚度為0.2 5 m，其兩側(cè)對稱鋪層，腹板總共鋪層為25層，圖中只顯示了中間7到19層。其中PVC泡沫材料力學性能：彈性模量E=8.3 0×107Pa，剪切模量G=1.6 ×106Pa，泊松比μ=0.3 8，密度ρ=83.0 kg·m-3。玻璃/環(huán)氧的單層力學性能為：

EX=38.6gPa，EY=8.2 7 GPa

EZ=8.2 7 GPa，PRXY=0.2 6 GPa

PRYZ=0.2 6 GPa，PRXZ=0.01 GPa

GXY=4.1 4 GPa，GYZ=1.6 6 GPa

GXZ=4.1 4 GPa，ρ=1800 kg/m3

文中腹板鋪層[α°/β°/γ°]T表示鋪設(shè)角依次為α°、β°、γ°，且各層厚度相同，下標T表示循環(huán)鋪層次數(shù)；±β°表示依次鋪設(shè)β°和-β°。鋪層方案見表2。不同鋪層比例時的方案見表3。

表2 鋪層方案

表3 不同鋪層比例時的方案

由于腹板中間夾層PVC兩側(cè)對稱鋪層，所以表1中只列出PVC一側(cè)的鋪層方案。最后通過meshing功能將鋪層信息和材料屬性分配給所對應(yīng)的面，然后劃分有限元網(wǎng)格；將葉片視為一個變截面懸臂梁，對其加載只有根部零位移約束，分別對不同方案時的葉片進行求解分析。

4 結(jié)果分析

根據(jù)葉片振動理論，風輪旋轉(zhuǎn)過程中，風輪振動的能量主要集中在前二階模態(tài)振型，而葉片的高階固有頻率只有在葉輪高轉(zhuǎn)速下才會被激發(fā)，所以本文只針對葉片前二階模態(tài)振型特性進行闡述。規(guī)定葉片的最大變形量占葉片總長的百分數(shù)為相對變形，作圖分析。

4.1 不同鋪層角度

圖4(a)、(b)分別為葉片一、二階振型所對應(yīng)的頻率，相對位移以及最大等效應(yīng)力，由圖4(a)可知。方案1在一階頻率、相對變形以及最大等效應(yīng)力上較方案2變化不大。方案3時葉片的一階頻率、相對變形以及最大等效應(yīng)力為最大。由圖4(b)可知。方案1在二階頻率和相對變形上相對方案2變化不大，但方案2的最大等效應(yīng)力有所增加；方案3時葉片二階頻率和相對變形最大，而最大等效應(yīng)力最小。

圖4葉片頻率、相對變形以及最大等效應(yīng)力

對比分析圖4(a)、(b)可知，方案3對葉片動態(tài)性能影響較明顯，這主要是因為方案3時，腹板為±45°鋪層，而腹板的作用主要是抗剪切，±45°鋪層能夠更好的承受剪切載荷，所以其對葉片性能影響較明顯。實際工程運用中，腹板鋪層應(yīng)以±45°為主。

方案3時，一、二階振型所對應(yīng)葉片壓力面的等效應(yīng)力分布如圖5所示，圖中應(yīng)力單位為MPa。由圖5可知，一階時葉片壓力面的等效應(yīng)力較大，主要集中在葉根和葉片的2/3段，而二階時主要集中在葉根和距葉根2/3葉片處。這主要是因為振型不同。實際腹板鋪層時，應(yīng)對應(yīng)力集中的部位進行加強處理。

圖5等效應(yīng)力分布

圖6為方案3葉片的前八階模態(tài)振型。由圖6可知，葉片的振型不受腹板鋪層參數(shù)的影響，一階模態(tài)振型為揮舞振動；二階模態(tài)振型為擺振振動；三階模態(tài)振型為揮舞振動和擺振振動的耦合；從五階模態(tài)開始，可以明顯看出，有扭轉(zhuǎn)振動。由振動理論可知，葉片的振動主要以一階振動為主，即彎曲振動為主。

圖6葉片的前八階模態(tài)振型

實際工程應(yīng)用中，葉片的固有頻率應(yīng)遠離風輪的旋轉(zhuǎn)頻率和整機固有頻率。以防止風力機葉片發(fā)生共振，對風力機造成破壞。

4.2 不同鋪層順序

圖7(a)為一階模態(tài)所對應(yīng)的頻率、相對變形以及最大等效應(yīng)力，由圖7(a)可知，方案5的一階頻率和最大等效應(yīng)力最大，方案1的相對變形量最小，而方案2、3、4、5的相對變形幾乎保持不變；方案3的最大等效應(yīng)力較方案1、2、4有所增大而小于方案5的。圖7(b)為二階模態(tài)所對應(yīng)的頻率、相對變形以及最大等效應(yīng)力，由圖7(b)可知，方案1、2、3、4二階頻率和最大等效應(yīng)力基本保持不變；方案5對二階頻率最大，而最大等效應(yīng)力最小。

圖7不同方案時一、二階振型所對應(yīng)葉片頻率、相對變形以及最大等效應(yīng)力

對比圖7(a)、(b)可知，方案5對葉片性能影響最大。這主要是因為方案5的0°和90°分割鋪放，減小了各層之間的剪切應(yīng)力。腹板鋪層時應(yīng)將0°和90°分隔鋪放。

4.3 不同鋪層比例

由圖8(a)可知，方案1、2、3、4的一階頻率逐漸減??；方案4時達到最小值0.3 283 Hz；方案5的一階頻率較方案4有所增加，但小于方案1、2、3的；方案4的相對變形最小，為2.1 %；方案1、2、3、5的相對變形相差不大；方案2的最大等效應(yīng)力較方案1和3時稍有減小；方案4時，最大等效應(yīng)力最小，為15.8 kPa；方案5的最大等效應(yīng)力達到最大，為21.1 kPa。由圖8(b)可知，方案1較方案2和方案5的二階頻率、相對變形以及最大等效應(yīng)力變化不大；方案3的二階頻率較方案2有所增加，而最大等效應(yīng)力相對減小；方案4時二階頻率達到最大，為0.785 Hz，而相對變形和最大等效應(yīng)力最小，分別為1.88%和53 kPa。

圖8不同方案時一、二階振型所對應(yīng)葉片頻率、相對變形以及最大等效應(yīng)力

對比分析圖8(a)、(b)可知，方案4對葉片性能影響較大，一、二階振型時，方案4的最大等效應(yīng)力和相對變形都最小，有利于風力機葉片運行，實際腹板鋪層時，±45°鋪層占腹板鋪層的58%左右。

5 結(jié)論

基于ANSYS有限元軟件，建立1.5 MW單腹板水平軸風力機葉片模型，分析了不同腹板鋪層參數(shù)時葉片的模態(tài)性能，(包括頻率、相對變形、最大等效應(yīng)力)，通過對比不同腹板鋪層方案下的模態(tài)分析可得出以下結(jié)論：

(1)腹板不同鋪層角度時，±45°鋪層較其他角度能夠更好的承受剪切載荷。實際工程運用中，腹板鋪層應(yīng)以±45°為主。

(2)葉片的振型不受腹板鋪層參數(shù)的影響；振型不同時，應(yīng)力分布不同，葉片應(yīng)力主要集中在葉根處和葉片的2/3段處，腹板鋪層設(shè)計時，對該部位進行加強處理。

(3)為了減小各層之間的剪切應(yīng)力，腹板鋪層時應(yīng)避免0°鋪層和90°鋪層連續(xù)鋪放。

(4)為了風力機葉片可靠運行，實際腹板鋪層時，±45°鋪層占腹板鋪層的58%左右。

本文研究了腹板鋪層參數(shù)與風力機葉片結(jié)構(gòu)性能之間的相互影響機理，有利于葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計時確定合理的腹板鋪層，增強腹板抗剪切能力，提高葉片整體剛性和運行時的穩(wěn)定性，防止震動破壞。對實際工程中風力機葉片腹板鋪層設(shè)計和安全運行和提供一定的參考。但文中鋪層都選用單軸向布，實際工程運用中，在保證滿足腹板性能要求的前提下，如能用多軸向布替代相應(yīng)角度單軸向布的連續(xù)鋪設(shè)，則可減少鋪放次數(shù)、提高效率、降低成本。

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The Effect of the Beam Ply Parameters on Structure Performance of Wind Turbine Blade

YANGRui1,2,ZHANGZhiyong1,LIUYeyao1,WUZhuoqi1,WANGGongxi1

(1.College of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050,China;2.Wind Energy Technology Research Center of Gansu Province, Lanzhou 730050,China)

The effect of the beam ply parameters on structure performance of wind turbine blade has been studied.Based on the finite element method,a 1.5 MW horizontal axis wind turbine blade was chosen as the research object.Beam ply was simulatedby using beam element in ANSYS software.Keeping the ply form of blade leading edge, trailing edge and the cap,a variety of research plansweregottenby changing the angle and order of beam ply or the proportion of layer number of different ply angle in whole layer number.Modal analysis was carried out on the blades of different solutions.The results show that the beam with plus or minus 45° ply will be able to bear shearing load better than other ply angle.Ply angle should be given priority to theuseof plus or minus 45°.The blade structure performance is best when plus or minus 45° ply accounts for around 58% of the whole ply.In order to reduce shear stress between the layers, 0° ply and 90° layer continuous plyshould be avoided.

wind turbine;blade; beam; ply; modal analysis

2016-07-15

國家自然科學基金(11162009)

楊 瑞(1970-)，男，河南夏邑人，教授，博士，主要從事風力機氣動特性及結(jié)構(gòu)方面的研究，(E-mail)1694794148@qq.com

1673-1549(2016)05-0027-06

10.11863/j.suse.2 016.05.07

TK83

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