基于MIDAS有限元分析法100M級葉片變槳俯仰后處理設備力學分析

摘要：風電葉片的發(fā)展無論是海上風電機組還是陸上風電機組或陸上超低風速風電機組，其趨勢都是大型化，其結(jié)果就是葉片的設計大型化、重量越來越大。傳統(tǒng)的葉片后處理方式是通過人工對其進行打磨噴涂，此過程中需要翻轉(zhuǎn)葉片，傳統(tǒng)的方式為使用圈車或定滑輪工裝等方式翻轉(zhuǎn)葉片進行后處理操作，極易損壞葉片及腹板部分。為了避免葉片損傷，產(chǎn)出高質(zhì)量的葉片成品，研發(fā)一種綜合后處理智能操作系統(tǒng)，對葉片進行自由俯仰及自由旋轉(zhuǎn)操作，從而實現(xiàn)對葉片的打磨、噴漆以及進行相控陣無損檢測的功能迫在眉睫。文章首先利用Solidworks三維軟件的建模功能，提供一種大型風力發(fā)電葉片變槳俯仰后處理設備設計技術(shù)，具體包括底座裝置、回轉(zhuǎn)裝置、變槳裝置及液壓泵站等模塊，接著利用MIDAS有限元軟件的分析功能，提供了一種葉片變槳俯仰后處理設備有限元分析技術(shù)，對設備在各種翻轉(zhuǎn)工況下的受力變形情況進行分析，確保葉片在變槳、升降過程中的安全性。分析結(jié)果表明，該變槳俯仰后處理設備的設計滿足強度和剛度要求。

關鍵詞：三維建模；強度與剛度；安全性；力學分析

中圖分類號：TH123文獻標志碼：A

0 引言

風電葉片是風力發(fā)電系統(tǒng)中最基礎也是最核心的部件，作為風力發(fā)電機組的關鍵核心部件之一［1］，其良好的設計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。隨著我國風電機組大型化和海上風電快速發(fā)展，業(yè)內(nèi)對大功率風電機組的需求不斷提升，百米級葉片的量產(chǎn)成為趨勢，對葉片工藝制作也有了更高的要求。為了保證風電葉片能夠正常地投入使用，在葉片通過模具生產(chǎn)出來之后，還需要經(jīng)過一系列的后處理工序，其后處理操作主要包括切邊修整、葉片殼體表面打磨處理以及油漆噴涂等。本文從百米級大型超長葉片后處理智能操作系統(tǒng)設計出發(fā)，利用Solidworks三維軟件的建模功能，對葉片變槳俯仰后處理設備進行設計，并利用有限元分析軟件MIDAS對該設備結(jié)構(gòu)進行力學載荷分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而保證了高強度與高剛度，保障了安全性的設計目標。

1 葉片變槳俯仰后處理設備概念設計

（1）功能介紹：葉片處于無約束水平懸掛狀態(tài)、自動變槳狀態(tài)、俯仰狀態(tài)等狀態(tài)下，設備具有法蘭邊切割、機器人整體打磨、前后緣補強、避雷測試、各向頻率特征值測試等功能。

（2）機頭結(jié)構(gòu)說明：以變槳軸承垂直面為基準，俯仰角度為±30°，變槳軸承連接轉(zhuǎn)接法蘭，轉(zhuǎn)接法蘭連接葉片，1/2數(shù)量的螺栓+1/3的力矩鎖緊連接；機頭部分今后考慮增加機器人加載螺栓鎖緊力矩。

（3）配備自適應安全防護系統(tǒng)確保所有后處理工作安全可靠、葉片水平懸空時對操作人員以及產(chǎn)品本身的安全防護。

（4）配備帶轉(zhuǎn)運、升降與小角度俯仰功能的同步AGV小車自動對接該系統(tǒng)。小車具備起模、轉(zhuǎn)運、發(fā)運等多重功能，徹底去掉圈車和吊車。

（5）配備全自動切邊與打磨機器人，徹底消除葉片因工裝支撐造成分次涂裝帶來的色差。

（6）配備頻率測試系統(tǒng)：葉片整體水平懸空，各階葉片頻率測試非常快捷，方便用于今后健康監(jiān)測系統(tǒng)電子身份證的數(shù)據(jù)標準之一。

（7）配備最先進的葉片用超聲相控陣自動檢測設備（AMS-71PA/73PA），保障葉片缺陷檢測率為100%，同步增加出廠前的視頻檢測。

2 葉片變槳俯仰后處理設備設計

葉片變槳俯仰后處理設備主要有底座裝置、回轉(zhuǎn)裝置、變槳裝置、自動鎖螺絲裝置、舉升定位裝置［2］。

2.1 底座設計

底座主體采用鋼板和方管焊接結(jié)構(gòu)，外表噴塑防腐處理，四周鋪踏板，后面加防護圍欄，增加短支撐底座。邊角位置安裝地腳螺絲，用于調(diào)節(jié)設備水平狀態(tài)。底座組件是整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的安裝底座，所有子系統(tǒng)均安裝在底座上，底座同時起到分散結(jié)構(gòu)對地面的壓力作用。

底座主要由3部分組成：底座、前加長底座、后加長底座。

2.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)設計

回轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在主支架上，可以繞主支架上的軸轉(zhuǎn)動，起到葉片俯仰的作用?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)上安裝回轉(zhuǎn)軸承，回轉(zhuǎn)軸承的內(nèi)圈和回轉(zhuǎn)支架連接，外圈的齒輪和液壓馬達的小齒輪相連，通過液壓馬達的動力實現(xiàn)葉片的變槳，從而實現(xiàn)葉片的翻身效果?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)主要包含4部分結(jié)構(gòu)：回轉(zhuǎn)支架、回轉(zhuǎn)軸承、液壓馬達、小齒輪。

2.3 葉片固定機構(gòu)設計

葉片固定機構(gòu)安裝在回轉(zhuǎn)機構(gòu)的回轉(zhuǎn)軸承外圈上，通過特制的葉片螺栓和葉片相連，在1/3的葉片螺栓上布置特制的螺栓旋轉(zhuǎn)拉緊油缸，可以將特制的葉片螺栓旋進葉片的根部螺栓孔，待所有葉片螺栓均旋入葉片螺栓孔之后，通過拉緊油缸將葉片和連接法蘭拉緊固定。所有螺栓地旋入和旋出均可同步操作，可以實現(xiàn)葉片的快速拉緊和卸載。

葉片連接法蘭設計為葉片通用型，可以同時適配多種葉型的裝夾。葉片固定機構(gòu)主要包含5部分結(jié)構(gòu)：葉片連接法蘭、螺栓旋轉(zhuǎn)拉緊油缸、螺栓旋緊機構(gòu)、螺栓拉伸機構(gòu)、葉片螺栓。

2.4 液壓泵站

液壓泵站是整個系統(tǒng)動力的來源，給液壓馬達、液壓油缸提供動力，液壓系統(tǒng)設計有冗余安全系統(tǒng)，以確保葉片的安全。

液壓泵站主要包含6部分結(jié)構(gòu)：油箱、電機、液壓泵、閥組、過濾器、蓄能器。

2.5 液壓缸承載分析

經(jīng)受力分析，在0°位置時，液壓缸所承受的力最大，液壓臂需承載3.4×105 N；所選液壓缸額定載荷43 MPa，經(jīng)計算可以輸出力為8.6×105 N，滿足測試翻轉(zhuǎn)需求，安全系數(shù)為2.6。

3 葉片變槳俯仰后處理設備力學分析

有限單元法是在當今科學技術(shù)發(fā)展和工程分析中獲得最廣泛應用的數(shù)值方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視。伴隨著計算機科學和技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)已成為計算機輔助工程和數(shù)值仿真的重要組成部分［3］。

3.1 模型說明

底座所選用的鋼材材質(zhì)為Q345B，翻轉(zhuǎn)軸承選用42CrMo4合金鋼，標準為GB 50017—2017（MIDAS軟件自帶材料庫），規(guī)格型號如表1所示。

材料屬性參數(shù)如表 2 所示（MIDAS軟件自帶材料庫）。

3.2 模型簡化

鋼架模型簡化為梁、板及實體單元模型，梁單元長度為200 mm，板單元及實體單元長度為100 mm。

3.3 葉片變槳俯仰后處理設備承載力學分析

3.3.1 載荷和約束

（1）載荷。在葉片變槳俯仰過程中，主要的受力有自身重力以及葉片質(zhì)量。自身重力：重力加速度按 9.8 m/s2計算。葉片質(zhì)量：葉片質(zhì)量約為30 t，重心位置在L28m處。

（2）約束。約束加在底座上，底座6個自由度受到約束。

3.3.2 0°位置計算結(jié)果

在 0°時，經(jīng)計算測試臺所承受的力矩為8.4×109 N·mm，測試臺的最大變形量、等效應力如圖1-2所示。

3.3.3 30°計算結(jié)果

在 30°時，經(jīng)計算測試臺所承受的力矩為7.3×109 N·mm，測試臺的最大變形量、等效應力如圖3與圖4所示。

4 分析結(jié)論

根據(jù)分析，各個位置的變形、應力情況如表3所示。

由表3可得：

（1）在工作過程中，最大的變形及應力出現(xiàn)在0°位置，最大應力為 67 MPa，安全系數(shù)為5.0，滿足不低于1.5的設計要求，測試臺的強度滿足要求。

（2）經(jīng)受力分析，在0°位置時，液壓缸所承受的力最大，液壓臂需承載3.4×105 N；所選液壓缸額定載荷43 MPa，經(jīng)計算可以輸出8.6×105 N，滿足測試翻轉(zhuǎn)需求，安全系數(shù)為2.6，液壓缸額定載荷滿足要求。

參考文獻

［1］豐飛，嚴思杰，丁漢.大型風電葉片多機器人協(xié)同磨拋系統(tǒng)的設計與研究［J］.機器人技術(shù)與應用，2018（5）：16-24.

［2］馬瑞，王曉明，承勇.一種自動化葉片后處理智能設備：CN115672609A［P］.2023-02-03.

［3］顧岳飛.大兆瓦風電機組塔架的有限元分析與優(yōu)化設計［D］.上海：上海交通大學，2012.

（編輯 何琳）