基于流固耦合的風(fēng)力機葉片疲勞破壞分析

張亞楠，周 勃，孫成才，陳長征

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

實驗研究

基于流固耦合的風(fēng)力機葉片疲勞破壞分析

張亞楠1，周 勃2，孫成才2，陳長征1

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

流固耦合條件下風(fēng)力機的葉片應(yīng)力分析對大型風(fēng)力機的疲勞破壞分析具有重要意義。本文以1.5 MW風(fēng)力機葉片作為研究對象，基于計算流體力學(xué)(CFD)和Ansys Workbench仿真分析開展風(fēng)力機葉片氣動力性能的流固耦合分析，以風(fēng)力機葉片空氣動力載荷、旋轉(zhuǎn)慣性載荷作為主要載荷與結(jié)構(gòu)變形的流固耦合交界面的載荷數(shù)據(jù)傳遞問題。結(jié)果表明，從弦長最大處到靠近葉尖1/3位置處，葉片后緣處應(yīng)力呈增長趨勢，在靠近葉根處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達到了5.6 MPa，容易出現(xiàn)裂紋損傷，與風(fēng)力機現(xiàn)實運行中出現(xiàn)的斷裂部位接近。證明本文所采用的分析方法的合理性。

流固耦合；風(fēng)力機葉片；疲勞破壞；數(shù)據(jù)傳遞

0 前言

風(fēng)力機葉片優(yōu)化設(shè)計的主要目的是提高風(fēng)能利用率，理論計算分析往往是在簡化模型的基礎(chǔ)上進行的，風(fēng)力機運行中有些復(fù)雜情況無法準(zhǔn)確預(yù)測，通過仿真技術(shù)能彌補這一缺陷。傳統(tǒng)上一般將風(fēng)輪葉片簡化成變截面懸臂梁，風(fēng)的動力效應(yīng)等效成靜風(fēng)力載荷來考慮。然而，實際上由于風(fēng)力機工作在惡劣的大自然環(huán)境中，風(fēng)剪切、隨機陣風(fēng)、風(fēng)力機起停等都會造成作用在風(fēng)力機葉片上的荷載變化。而傳統(tǒng)的分析方式往往忽略了風(fēng)載與葉片結(jié)構(gòu)的耦合作用，對風(fēng)力機正常運轉(zhuǎn)造成較大的影響[1-2]，不利于風(fēng)力機的安全運行。

因此，國內(nèi)外一些學(xué)者開展了風(fēng)力機流固耦合方面的研究工作。張瑞琴等人對 NACA0012 翼型進行了流固耦合作用下的顫振研究[3]，得到顫振頻率與葉片低階固有頻率一致，來流速度和攻角是影響葉片氣動彈性穩(wěn)定性的重要因素。胡芳琳等[4]利用RANS方程和SSTκ-ω湍流模型對旋轉(zhuǎn)葉片周圍的流場進行數(shù)值模擬，開展了風(fēng)力機葉片氣動性能的流固耦合分析方法研究。任年鑫[5]等利用浮式風(fēng)力機葉片與周圍流場的復(fù)雜非線性流固耦合分析，分別研究浮式平臺不同運動幅值和運動周期對風(fēng)力機葉片氣動性能的影響規(guī)律。國內(nèi)外研究表明，利用流固耦合技術(shù)對固體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，相比加載流體載荷求解更加精確[6-8]。但是，目前國內(nèi)對基于流固耦合的全尺寸風(fēng)力機葉片結(jié)構(gòu)強度研究還比較少。特別是對于全尺寸葉片在流固耦合條件下，葉片表面應(yīng)力集中位置的研究幾乎還沒有涉及。

本文建立1.5 MW風(fēng)力機葉片的全尺寸流固耦合分析模型，利用計算流體力學(xué)與Ansys Workbench對風(fēng)力機葉片在空氣動力載荷和旋轉(zhuǎn)慣性載荷作用下的風(fēng)力機葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化進行研究。

1 流固耦合理論方程

1.1 計算流體力學(xué)基本控制方程

控制方程是物理學(xué)守恒定律的數(shù)學(xué)表達形式，流體在流動過程中要遵守質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律等基本守恒定律。

(1) 質(zhì)量守恒方程。流體流動質(zhì)量守恒是流體介質(zhì)流過空間某一控制體V，在相同的時間內(nèi)，控制體內(nèi)的質(zhì)量變化率等于穿過控制體表面S的質(zhì)量流量。其積分形式表示為

(1)

經(jīng)過化簡計算式(1)變?yōu)?/p>

(2)

此方程也稱為連續(xù)方程，引入散度表達方式，式(3)可表示為

(3)

式中，ρ為流體密度；n為單位法向向量；t為流體流動時間；U為流體速度矢量；u、v和w為U在x、y和z方向上的分量。

風(fēng)力機葉片流場仿真過程中，將空氣視為不可壓縮氣體，密度ρ為常數(shù)，那么式(2)則變?yōu)?/p>

(4)

(2)動量守恒方程。動量守恒是從牛頓第二定律發(fā)展過來的，可以表述為：控制體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在控制體上的各種力之和。在x、y和z三個方向的動量守恒方程可表示為

(5)

式中，p為流體控制體上的壓力；τxx、τxy和τxz分別為控制體表面上粘性應(yīng)力τ的分量；Fx、Fy和Fz分別為控制體上的體力。

1.2 計算固體力學(xué)基本控制方程

在廣義坐標(biāo)系下利用牛頓第二定律推導(dǎo)出固體結(jié)構(gòu)的守恒方程為

(1.6)

1.3 流固耦合方程

流固耦合過程在流固耦合交界面處以守恒原則為基礎(chǔ)，實現(xiàn)流體和固體之間的數(shù)據(jù)傳遞，在不考慮溫度傳遞的情況下，流固耦合交界面處應(yīng)滿足的方程為

(7)

式中，τf、τs分別為流體和固體的應(yīng)力；df、ds分別為流體和固體的位移。

2 風(fēng)力機葉片結(jié)構(gòu)有限元計算模型

風(fēng)力機葉片一般選用具有強度高、重量輕、耐老化、疲勞性能好和低成本特點的無堿型玻璃纖維增強材料(E-Glass)。這種材料是以環(huán)氧樹脂或不飽和樹脂為基底加入不同長度的E-玻璃纖維制成，本文采用的是以環(huán)氧樹脂和E-玻璃纖維(Epoxy-EGlass)鋪設(shè)而成的玻璃鋼材料，其參數(shù)性能如表1所示。

表1 玻璃鋼材料參數(shù)

首先以單向玻璃纖維布(Epoxy-E Glass-UD)為基礎(chǔ)鋪設(shè)子層纖維布，鋪層時以單向玻璃纖維布的纖維方向為基準(zhǔn)方向，即0°方向，然后以90°方向、45°方向和-45°方向交錯鋪設(shè)[9]。定義完所需的鋪設(shè)材料后選擇合適的鋪層方式在已建立的葉片模型上進行鋪設(shè)，在葉片內(nèi)部加強梁平面上，基準(zhǔn)方向指向葉片外圍，厚度方向指向葉展方向，如圖1所示，其中黃色箭頭指向基準(zhǔn)方向，紫色箭頭指向鋪層厚度方向。

圖1 葉片內(nèi)部加強梁鋪層設(shè)計

葉片表面蒙皮鋪層時要考慮到葉展方向上蒙皮厚度不同的特點，由于越靠近葉根位置受到的彎矩和扭矩越大，因此沿葉展方向蒙皮厚度逐漸變薄。鋪設(shè)的第一層包含整個葉片，且基準(zhǔn)方向指向葉展方向，其纖維排布如圖2所示，綠色箭頭指向纖維排布方向，從圖中可以看出子層玻璃纖維交錯排列方式。

圖2 葉片纖維排布方向

完成纖維復(fù)合材料葉片蒙皮鋪層后，蒙皮厚度變化趨勢如圖3所示，可以看到蒙皮厚度從葉根處厚度66 mm逐級遞減到葉尖處厚度的16 mm，單個葉片的總重量6 100 kg，滿足設(shè)計要求。

圖3 葉片鋪層厚度

3 流固耦合分析

選擇流體運算1.03 s時刻作為流固耦合時間節(jié)點，圖4為流固耦合后葉片壓力面和吸力面上的應(yīng)力分布云圖，從壓力面應(yīng)力分布情況可以看出，葉片截面弦長較大位置和葉片中部應(yīng)力值較大，表明這些區(qū)域是氣動載荷的主要承載區(qū)域，提供了葉片旋轉(zhuǎn)所需的動力。壓力面上應(yīng)力整體大于吸力面上應(yīng)力，只是在葉片后緣處比較接近，葉片后緣處應(yīng)力較大是由于邊緣比較薄引起的。從弦長最大處到靠近葉尖1/3位置處，葉片后緣處應(yīng)力呈增長趨勢，主要是因為葉片厚度從葉根到葉尖厚度逐漸變薄且相對風(fēng)速越來越大。在靠近葉根處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達到了5.6 MPa，因此在葉片根部容易出現(xiàn)疲勞破壞，與風(fēng)力機現(xiàn)實運行中出現(xiàn)的疲勞破壞部位比較接近。

圖4 葉片壓力面和吸力面應(yīng)力云圖

圖5為葉片在空氣動力載荷與旋轉(zhuǎn)慣性載荷綜合作用下的變形情況，從圖5b可以看到葉片總變形量從葉片中部開始出現(xiàn)變化，并在葉尖處達到最大變形位移98.5 mm，證明了葉片在設(shè)計安裝時進行預(yù)彎的必要性。對比全局坐標(biāo)系下x、y、z方向上的變形結(jié)果發(fā)現(xiàn)z方向上葉片拉伸變形很小，對于幾十米長的葉片可以忽略其影響，因此，葉片變形主要由x、y負(fù)方向上的變形綜合引起，其中x負(fù)方向上影響占到25%左右，y負(fù)方向上影響占到75%左右，表明y負(fù)方向上的揮舞變形為葉片上主要振動變形形式，是造成葉片破壞的主要原因。

圖5 葉片變形云圖

4 結(jié)論

(1)從弦長最大處到靠近葉尖1/3位置處，葉片后緣處應(yīng)力呈增長趨勢，且在靠近葉根處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達到了5.6 MPa，容易出現(xiàn)疲勞破壞。

(2)空氣動力載荷與旋轉(zhuǎn)慣性載荷綜合作用下葉片變形主要由x、y負(fù)方向上的變形綜合引起，其中x負(fù)方向上影響占到25%左右，y負(fù)方向上影響占到75%左右，表明y負(fù)方向上的揮舞變形為葉片上主要振動變形形式，是造成葉片破壞的主要原因。

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Fatigue failure analysis of wind turbine blade based onfluid structure interaction

ZHANG Ya-nan1, ZHOU Bo2, SUN Cheng-cai2, CHEN Chang-zheng1

(1. School of mechanical engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China;2. School of architecture & civil engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The analysis of wind turbine blade stress under the condition of fluid solid coupling is great significance to the analysis of the fatigue failure of large wind turbine. In this paper, 1.5 MW wind turbine blade as the research object, carry out simulation analysis coupling dynamic performance in wind turbine gas flow based on computational fluid dynamics (CFD) and Ansys Workbench, and analysis the load data transfer problem between taking aerodynamic load and the rotating inertial load as the main load and the load of fluid solid coupling interface of structural deformation the wind turbine blade. The results show that the stress at the trailing edge of the blade is increasing, from the maximum chord length to near the tip position of 1/3, stress concentration appears at the root of the blade. The maximum stress is 5.6 MPa, and the position is easy to crack damage, which is close to the fracture site in the reality operation of wind turbine. The rationality of the analytical method used in this paper is proved.

fluid structure interaction; wind turbine blade; fatigue failure; data transfer

2016-06-24；

2016-08-19

國家自然科學(xué)基金項目(51575361)；中國博士后科學(xué)基金項目(2014M560220)；遼寧省百千萬人才工程項目(2015049)

張亞楠(1988-)，男，遼寧鞍山人，博士研究生，研究方向為風(fēng)力機葉片裂紋擴展分析。

TK83

A

1001-196X(2017)02-0021-04