2019j34m 复合材料风力发电机组叶片屈曲有限元分析[J].doc
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2、ity of the airport, not in-situ expansion. Jinsha River and minjiang rivers, the Yangtze River traverses northern border in Yibin city, with good conditions for development of water transport, but water识窖挖淬以元绥郁汁薛得索匝壶谈装皆捌舆殆素赁淘音浑铁蜡杉迫榷讲棕棋彤拖谆磅居寓访誓束牛尾凿淹掺切阮楚箱店先找烯居狗泣脓吃终涪室宫简摘詹迄贵但扯里浇喉价钟陀狈沫春讽各逗趣僳娃正骆赌事喝厢悠九犊联悟院
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5、ill-蔡 ( S.W.Tsai) 强度理论校核了几种主要承力材料的强度;最后,结合有限元二阶屈曲模态计算结果,讨论了风机叶片结构的屈曲稳定性。 关键词:风力发电机;叶片;复合材料;有限元分析 中图分类号:TK83 文献标识码:B文章编号:1006-8155(2008)05-0040-07Finite Element Analysis of Buckling in the 34m Composite Material Wind Turbine Blades Abstract: The aim of this paper is to investigate the static strength
6、 and buckling stability of the 34m composite wind turbine blades (CWTBs). Because the geometric shape and boundary of the wind turbine blades are complicated, the finite element method is used to analyze this problem. First, based on the MSC.Patran, the procedures of the finite element modeling for
7、the CWTBs are discussed. Next, the strength of main materials in CWTB is checked with the E.M.Wu failure criterion and S.W. Tsai strength theory. Finally, the buckling stability of the CWTBs is discussed on the basis of calculation for two-order buckling mode of CWTBs. Key words: wind turbine; blade
8、; composite material; finite element analysis 0 引言随着世界能源危机的日益严重,以及公众对于改善生态环境要求的呼声日益高涨,风能作为一种清洁的可再生能源日益受到各国的重视1。风力发电具有无污染、安装运行简单、操作维护成本低等优点,但是其最大缺点是风的间歇性,导致风力发电不稳定。因此需要用可靠的和高效的设备在风力较强的有限时间内最大限度地获得风能2。叶片是风力发电机最重要的部件。为了最大限度地利用风能,叶片外形根据空气动力学原理设计而成,为了满足叶片质量轻、刚度大、强度高和耐疲劳等特性,叶片主体部分由复合材料制作而成2。风电转换过程首先从叶片开始,
9、叶片的性能直接关系到风力发电系统的性能。各国风力发电系统的运行实践表明,叶片是最容易出现故障的部位3。叶片结构发生破坏的两种形式:材料强度不够和结构屈曲4。所以,对叶片进行强度分析和屈曲分析意义重大。本文借助于有限元工具,从材料强度和结构屈曲两个方面去研究叶片的性能。目的是确定叶片应力应变分布规律,找出危险点,对危险点处的几种材料进行强度校核。进而计算叶片的二阶屈曲模态,获得屈曲载荷,验证叶片是否满足屈曲强度要求。同时,确定结构容易发生屈曲的危险位置。本文采用商用软件MSC.Patran和MSC.Nastran,其中MSC.Nastran中屈曲分析包括线性屈曲和非线性屈曲分析,在算法上,MSC
10、.Nastran采用先进的微分刚度概念,考虑高阶应变位移关系,结合MSC.Nastran特征值抽取算法可精确地判断出相应的失稳临界点5。1 有限元模型1.1 几何模型和网格划分 叶片由两部分组成:蒙皮和主梁。蒙皮是将气流转换成叶片转动所需压力的主要部件。它的设计是基于空气动力学原理,不同的横截面呈现不同的翼型,并有一定的扭转角,叶片的整体外形自叶根到叶尖大致呈锥形(见图1)。_*基金项目:航空科学基金资助项目(04B52010)收稿日期:2008-01-07 南京市 210016主梁是叶片承受载荷的主要部件。蒙皮仅承受总载荷的20%,而其他部分由主梁承担。主梁的横截面呈盒状。图 1 叶片立体几
11、何模型:蒙皮和主梁 图 2 带边界条件和载荷的叶片有限单元模型叶片的主要外形参数见表1。 表1 叶片主要技术参数额定功率/ kW1500 叶片长度/ m34.23 叶片最大弦长/ mm3100 叶片扭角/()13叶片质量/ kg5896.7重心位置(距叶根)/ m10.591 叶片的初始资料仅有各个截面的二维工程图,三维模型的建立首先利用CATIA V5平台依据各个截面的轮廓线建立模型框架,然后将这个框架传输到有限元前置处理软件PATRAN中,通过截面放样生成叶片的曲面造型。网格的划分采用三角形单元,三角形单元可以较好地适应复杂的几何边界条件,有利于从几何上去逼近一个任意双曲度的壳体。在单元数
12、目的选取上进行了多次尝试,实践表明:单元数目的选取有一个最佳范围,小于这个范围,求解精度不够,超过这个范围,对结果精度的提高则很有限,反而会影响求解速度。通过多次试算选取单元数目为18797。这个数目既能保证求解问题的精度,又不影响求解速度。1.2 材料和单元属性的定义叶片的材料主要有:EWFC1050,EZF800,1#布,EWR300和PVC泡沫,其中PVC泡沫的强度与弹性模量相对其他材料很小,考虑PVC泡沫是为了保证结构的几何形状。材料参数见表2。由于复合材料层合壳结构的厚度与长度、宽度比足够小(1/10),可以将结构简化为板单元。叶片是由玻璃纤维以不同的铺设角铺设而成,因此,可将叶片视
13、为层合板模型。即由相同的单向板以不同的角度铺设而成,首先,定义单向板各个方向的参数(见图3),单向板使用玻璃纤维作为增强材料,环氧树脂作为基体,E11为纤维轴向方向,E22为垂直于纤维轴线方向(即横向),从其性能特点看出,该单向板是2D正交各向异性板,在Patran里定义单向板为2D Orthotropic材料。再用Laminate创建层合板模型,如图4所示,通过定义不同的方向角、不同的厚度、材料定义不同的铺层,将所定义的材料赋给有限元模型。表2 几种主要材料的参数表 牌号/GPa/GPaG/GPa厚度/mm1#布44.0910.940.2933.560.8EZF80012.38812.388
14、0.4453.630.57EWR30021.5421.540.1132.110.26EWFC105016.9016.900.1033.771.0叶片的铺层情况复杂:沿叶片纵向分布不均,沿叶片横向也是不均匀的,这就给单元属性的赋值带来了很大的困难,采用分段分块定义层合板模型,然后再分段分块将模型赋给单元。这样最大限度地模拟了叶片铺层的真实情况(见图5)。图 3 单向板性能特点示意图 图 4 复合材料层合板(Laminate)的定义图 5 叶片单元属性分段分块效果图1.3 计算载荷风力机叶片所受的载荷类型是复杂多样的,是由风机运行条件以及外界条件综合确定的。运行工况和外界工况是采用单独统计的方法得
15、到6。静强度计算仅考虑外界工况。外界工况分为正常工况和极端工况。计算所用载荷为25m/s极端阵风下的极端外界工况。表3给出了部分截面的25m/s极端阵风载荷分布情况,载荷由中航(保定)惠腾公司提供。表3 25m/s极端风载荷分布切面Mt/(kNm)Mn/(kNm)Fz/kN05098.26 1935.48 260.2714919.07 1854.59 249.9634678.47 1748.75 242.7454436.16 1645.12 236.2874192.57 1543.25 229.9293948.31 1442.50 223.05113704.72 1342.89 216.161
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