小型风力机叶片模态特性及强度分析.pdf

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1、机械设计与制造第9期26MachineryDesign&Manufacture2014年9月小型风力机叶片模态特性及强度分析孙保苍，胡兰(江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江212013)摘要：以600W水平轴风力发电机(HAWT)叶片为研究对象，基于结构动力学和空气动力学相关理论，利用有限元ANSYS分析软件，首先对叶片在静止和不同转速下的模态特性进行分析和比较，然后根据风力机叶片所受载荷的主要形式，将栽荷施加到风力机叶片上，对叶片进行强度分析。结果表明：叶片在旋转状态下的固有频率高于叶片在非旋转状态下时的固有频率，而振型在两种状态

2、下相似。叶片受到载荷后，叶片中部(特别是中部前缘)是叶片易损部位。研究结果对风力机叶片的动力学分析、优化设计及疲劳分析有一定的指导意义。关键词：风力机叶片；固有频率；载荷；强度分析中图分类号：TH16文献标识码：A文章编号：1001—3997(2014)09—0026—03ModalCharacteristicsandStrengthAnalysisonSmallWindTurbineBladeSUNBao—cang，HULan(FacultyofCivilEngineeringandMechanics，JiangsuUniversi

3、ty，JiangsuZhenjiang212013，China)Abstract：Basedonstructuraldynamics，aerodynamicsandusingthefiniteelementanalysissoftwareANSYS，themodalcharacteristicsof600Whorizontalaxiswindturbinebladeinstaticanddifferentrotatingspeedsarestudied，anditsstrengthaffectedbyavarietyofloadsis

4、analyzed．Theconclusionsarethatthenaturalfrequencyoftherotatingbladeishigherthanthatofthenon—rotatingbladeandthemodalshapeintWOstatesaresimilar；thecentralespeciallycentralfrontofthebladeisvulnerablepart．Theseresultshavecertainguidanceondynamicsanalysis，optimizationandfat

5、igueanalysisofwindturbincblade．KeyWords：WindTurbineBlades；NaturalFrequency；Load；StrengthAnalysis式中：—质量矩阵；c一阻尼矩阵；一刚度矩阵；一系统各质点1引言的位移；力激振力矢量。近几年风能利用掀起了全国热潮，很多学者致力于风能研2．1非旋转状态下叶片模态理论分析究。风力机叶片性能是否优越是风能利用率高低的关键。风力发若为自由振动且忽略阻尼，则(1)式中c和F都为O，则：电机叶片是捕捉风能的核心功能部件，也是风力发电机最基础的部件。多年来风

6、力机叶片动力学特陛【吸强度分析一直受到诸多[]{}+[K]{}-0(2)相关科技工作者的重视。叶片的动力学分析不但考虑了静止状态(2)式的通解形式为：下的固有频率及振型，也考虑了叶片在旋转状态下的固有频率及{x(t)}一{}sin(tot)(3)振型，并作了分析比较。在进行强度分析时，在阅读了大量文献的式中：—位移坐标幅值向量；n广_固有频率。基础上，对叶片做了简明扼要的静力强度分析。将式(3)带人式(2)中得：首先根据结构动力学基本理论，利用大型有限元分析软件(EK]-~【M]){{0}(4)ANSYS软件，分析和比较了叶片在静止和

7、不同转速情况下的模式(4)有非零解的条件：态特性。然后基于空气动力学相关理论，分析风力机叶片所承受I[][]l-0(5)的主要载荷，对风力机叶片进行强度分析，取得了一些有益的结(～M)xi=O(6)果。分析过程及所取得的结果对于类似结构的动力学特性、优化其中，A=to2，toi=、／，i=1，2，．．．，n。求得n阶固有频率，进而设计、强度及疲劳分析具有一定的借鉴意义。可求得相应的振型2动力学有限元分析在非旋转状态下，600W风力机叶片实例模型基本参数：额由结构动力学理论可知，系统结构运动的一般振动方程为：定功率P=600W，工作风速

8、=(3～20)m／s，额定风速为7m／s，转速[]{}+[C]{}+[]{}=F(1)n=267．5r／min，叶片数为3，叶片半径r=1．5m。采用玻璃钢复合材来稿日期：2014—02—14基金项目：江苏省镇江市科技支