5MW风力机叶片结构力学特性有限元分析
发布时间：2021-10-23 10:34
随着风力机叶片大型化,叶片载荷水平不断提高,对其结构力学性能要求越来越高。以NREL 5MW风力机叶片为分析对象,利用叶素-动量理论及其修正方法编程计算叶片风载荷,采用有限元软件ANSYS开展叶片的静力学和模态固有特性分析,分析了叶片叶尖变形量与腹板厚度的关系,掌握了叶片关键部位的应力分布情况,获得了叶片低阶模态振动与固有频率,将为叶片结构设计、强度校核及优化提供数据基础。
【文章来源】：机械研究与应用. 2018,31(04)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
叶片截面结构示意图
Shell181，厚度实参数为5mm。叶片的蒙皮材料为玻璃钢，腹板为碳纤维。玻璃钢(FRP)的弹性模量为20GPa，泊松比为0．15，密度为2000kg/m3;碳纤维(T700)的性模弹量为250GPa，泊松比为0．3，密度为1800kg/m3。根据实际工作情况，将叶根与轮毂处视为刚性连接，其根部节点的六个自由度完全被约束固定，在Ansys中对叶片根部施加约束的效果;将叶片每区域段受到的风载荷(见表1)进行分段等效弯矩简化处理，加载在每个区域段的有限个节点上。叶片单元数为92938个，其有限元网格模型与加载情况如图2所示。图1叶片截面结构示意图图2叶片有限元分析模型3叶片静力学与模态特性分析3．1叶片静力学分析结果叶片腹板厚度决定着叶片截面抗剪性能，同时，为了减轻叶片质量，要求尽可能地减少腹板厚度。由于迎风型风力机叶片在风载荷作用下的变形量过大时，容易与塔架发生碰撞，通常规定运行时叶尖变形量不能超过静止条件下叶尖与塔架距离的70%。根据NREL5MW风力机的设计参数，静止时叶尖与塔架的距离约为13．22m，因此，风力机额定风速下叶尖最大变形量为9．25m。采用有限元软件ANSYS分析不同腹板厚度下叶尖的变形量，采用曲线拟合得到的腹板厚度与叶尖变形量的关系如图3所示，进而确定腹板厚度为14．97mm。图3叶尖变形量与腹板厚度关系曲线基于ANSYS软件开展叶片在额定和切出风速作用下叶片的应力分布情况，如图4所示。从图5(a)可以看出，叶片翼型从圆柱过渡到DU翼型处和上下蒙皮与腹板接触的部位存在应力集中，其最大应力为1330MPa，碳纤维许用应力为2000MPa，符合设计要求。从图5(b)可以看出，叶片上下蒙皮与腹板的最大应力达到10489MPa，因此，需要采取适当程度的变桨来减少叶片的迎风面积，降低作用在叶片上的风载荷。图4叶
Ｐ?3叶片静力学与模态特性分析3．1叶片静力学分析结果叶片腹板厚度决定着叶片截面抗剪性能，同时，为了减轻叶片质量，要求尽可能地减少腹板厚度。由于迎风型风力机叶片在风载荷作用下的变形量过大时，容易与塔架发生碰撞，通常规定运行时叶尖变形量不能超过静止条件下叶尖与塔架距离的70%。根据NREL5MW风力机的设计参数，静止时叶尖与塔架的距离约为13．22m，因此，风力机额定风速下叶尖最大变形量为9．25m。采用有限元软件ANSYS分析不同腹板厚度下叶尖的变形量，采用曲线拟合得到的腹板厚度与叶尖变形量的关系如图3所示，进而确定腹板厚度为14．97mm。图3叶尖变形量与腹板厚度关系曲线基于ANSYS软件开展叶片在额定和切出风速作用下叶片的应力分布情况，如图4所示。从图5(a)可以看出，叶片翼型从圆柱过渡到DU翼型处和上下蒙皮与腹板接触的部位存在应力集中，其最大应力为1330MPa，碳纤维许用应力为2000MPa，符合设计要求。从图5(b)可以看出，叶片上下蒙皮与腹板的最大应力达到10489MPa，因此，需要采取适当程度的变桨来减少叶片的迎风面积，降低作用在叶片上的风载荷。图4叶片应力分布情况图3．2叶片模态固有特性分析结果基于ANSYS软件进行叶片模态分析，提出叶片前20阶模态振动结果，叶片固有频率如表2，部分模态振型如图5所示。表2叶片前20固有频率/Hz阶次频率阶次频率10．655114．98121．156125．33532．211135．50743．473145．74153．821155．88964．089166．02574．139176．22584．361186．42794．539196．667104．748206．767图5叶片部分低阶模态振型·44·研究与试验2018年第4期(第31卷，总第156期)·机械研究与应用·
【参考文献】：
期刊论文
[1]漂浮运动对风力机气动特性的影响分析[J]. 韩清凯,唐世浩,沈意平,李学军,朱广辉. 计算力学学报. 2016(03)
[2]5MW风力发电机复合材料叶片结构力学特性分析[J]. 胡国玉,孙文磊,董平. 可再生能源. 2015(06)
[3]大型风力机叶片研究现状与发展趋势[J]. 胡燕平,戴巨川,刘德顺. 机械工程学报. 2013(20)
[4]平台运动对海上浮式风机的气动性能影响研究[J]. 叶小嵘,张亮,吴海涛,赵静. 华中科技大学学报(自然科学版). 2012(03)
[5]基于动态入流理论的水平轴风力机动态气动载荷计算模型[J]. 刘雄,张宪民,陈严,叶枝全. 太阳能学报. 2009(04)
博士论文
[1]风力发电机的柔性多体动力学研究[D]. 王建宏.重庆大学 2009
本文编号：3453030
【文章来源】：机械研究与应用. 2018,31(04)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
叶片截面结构示意图
Shell181，厚度实参数为5mm。叶片的蒙皮材料为玻璃钢，腹板为碳纤维。玻璃钢(FRP)的弹性模量为20GPa，泊松比为0．15，密度为2000kg/m3;碳纤维(T700)的性模弹量为250GPa，泊松比为0．3，密度为1800kg/m3。根据实际工作情况，将叶根与轮毂处视为刚性连接，其根部节点的六个自由度完全被约束固定，在Ansys中对叶片根部施加约束的效果;将叶片每区域段受到的风载荷(见表1)进行分段等效弯矩简化处理，加载在每个区域段的有限个节点上。叶片单元数为92938个，其有限元网格模型与加载情况如图2所示。图1叶片截面结构示意图图2叶片有限元分析模型3叶片静力学与模态特性分析3．1叶片静力学分析结果叶片腹板厚度决定着叶片截面抗剪性能，同时，为了减轻叶片质量，要求尽可能地减少腹板厚度。由于迎风型风力机叶片在风载荷作用下的变形量过大时，容易与塔架发生碰撞，通常规定运行时叶尖变形量不能超过静止条件下叶尖与塔架距离的70%。根据NREL5MW风力机的设计参数，静止时叶尖与塔架的距离约为13．22m，因此，风力机额定风速下叶尖最大变形量为9．25m。采用有限元软件ANSYS分析不同腹板厚度下叶尖的变形量，采用曲线拟合得到的腹板厚度与叶尖变形量的关系如图3所示，进而确定腹板厚度为14．97mm。图3叶尖变形量与腹板厚度关系曲线基于ANSYS软件开展叶片在额定和切出风速作用下叶片的应力分布情况，如图4所示。从图5(a)可以看出，叶片翼型从圆柱过渡到DU翼型处和上下蒙皮与腹板接触的部位存在应力集中，其最大应力为1330MPa，碳纤维许用应力为2000MPa，符合设计要求。从图5(b)可以看出，叶片上下蒙皮与腹板的最大应力达到10489MPa，因此，需要采取适当程度的变桨来减少叶片的迎风面积，降低作用在叶片上的风载荷。图4叶
Ｐ?3叶片静力学与模态特性分析3．1叶片静力学分析结果叶片腹板厚度决定着叶片截面抗剪性能，同时，为了减轻叶片质量，要求尽可能地减少腹板厚度。由于迎风型风力机叶片在风载荷作用下的变形量过大时，容易与塔架发生碰撞，通常规定运行时叶尖变形量不能超过静止条件下叶尖与塔架距离的70%。根据NREL5MW风力机的设计参数，静止时叶尖与塔架的距离约为13．22m，因此，风力机额定风速下叶尖最大变形量为9．25m。采用有限元软件ANSYS分析不同腹板厚度下叶尖的变形量，采用曲线拟合得到的腹板厚度与叶尖变形量的关系如图3所示，进而确定腹板厚度为14．97mm。图3叶尖变形量与腹板厚度关系曲线基于ANSYS软件开展叶片在额定和切出风速作用下叶片的应力分布情况，如图4所示。从图5(a)可以看出，叶片翼型从圆柱过渡到DU翼型处和上下蒙皮与腹板接触的部位存在应力集中，其最大应力为1330MPa，碳纤维许用应力为2000MPa，符合设计要求。从图5(b)可以看出，叶片上下蒙皮与腹板的最大应力达到10489MPa，因此，需要采取适当程度的变桨来减少叶片的迎风面积，降低作用在叶片上的风载荷。图4叶片应力分布情况图3．2叶片模态固有特性分析结果基于ANSYS软件进行叶片模态分析，提出叶片前20阶模态振动结果，叶片固有频率如表2，部分模态振型如图5所示。表2叶片前20固有频率/Hz阶次频率阶次频率10．655114．98121．156125．33532．211135．50743．473145．74153．821155．88964．089166．02574．139176．22584．361186．42794．539196．667104．748206．767图5叶片部分低阶模态振型·44·研究与试验2018年第4期(第31卷，总第156期)·机械研究与应用·
【参考文献】：
期刊论文
[1]漂浮运动对风力机气动特性的影响分析[J]. 韩清凯,唐世浩,沈意平,李学军,朱广辉. 计算力学学报. 2016(03)
[2]5MW风力发电机复合材料叶片结构力学特性分析[J]. 胡国玉,孙文磊,董平. 可再生能源. 2015(06)
[3]大型风力机叶片研究现状与发展趋势[J]. 胡燕平,戴巨川,刘德顺. 机械工程学报. 2013(20)
[4]平台运动对海上浮式风机的气动性能影响研究[J]. 叶小嵘,张亮,吴海涛,赵静. 华中科技大学学报(自然科学版). 2012(03)
[5]基于动态入流理论的水平轴风力机动态气动载荷计算模型[J]. 刘雄,张宪民,陈严,叶枝全. 太阳能学报. 2009(04)
博士论文
[1]风力发电机的柔性多体动力学研究[D]. 王建宏.重庆大学 2009
本文编号：3453030
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