风力机叶片的有限元建模

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1、2007年8月绵阳师范学院学报Aug.,2007第26卷第8期JournalofMianyangNormalUniversityVol.26No.8风力机叶片的有限元建模1.2林海晨(1.上海第二工业大学机电工程学院,上海201209;2.上海大学力学所,上海201209)摘要:以750kW中等长度水平轴风力机叶片为例,应用ANSYS软件,通过GUI操作界面实现复合材料风力机叶片的有限元建模。使实体模型可直接运用于力学性能分析,而无需再在CAD软件与有限元软件间相互转换。同时由于ANSYS软件对于复合材料分析的良好支持,使所建模型能更为真实的反映其结构性能,从而

2、更好地为风力发电机的设计、分析服务。关键词:风力机叶片;ANSYS;有限元建模中图分类号:TP39117文献标识码:A文章编号:16722612x(2007)0820043205前言风能是清洁能源,目前世界各国都在大力开发风能。风力机叶片是风力机的核心部件,是风力机进行能量转换的重要组成部分。从这个意义上讲,风力机叶片的设计是极为重要的。为了能获取更多的风能,大功率风力机被更多地运用于实践。使风力机叶片的单片长度从最早的不到1米发展到了现在的50多米。因此在风力机设计和使用中对叶片的强度、刚度和使用寿命等性能的分析就显得尤为重要。对这些性能的分析除了采用风洞试验

3、的方法外,随着高性能计算机的普及,更多是采用对叶片数字建模进行分析与处理。然而,由于风力机叶片截面形状复杂,在翼展方向还存在扭转角和渐缩的弦长,使得对叶片的实体建模存在较大的困难。同时现今的高性能风力机叶片都采用玻璃纤维或碳纤维复合材料铺层结构制造而成,如何能在建模中准确的表达它的铺层结构也成为对叶片建模的一大重点和难点。针对上述情况,笔者通过使用有限元软件ANSYS就可实现从叶片实体建模、材料参数定义、网格划分到性能计算的全部过程。1叶片的实体建模风力机叶片翼型形状是由飞机机翼发展而来的,因此叶片截面形状通常有标准翼型系列进行参照。较常用的有NACA系列,专用

4、的有瑞典的FFA-w系列翼型,美国的SERI翼型和丹麦的RISφ-A系列等。设计时可根据不同需要选取,也可在现有翼型基础上进行必要修改、组合以满足特殊需要。翼型数据及其气动性可参考Profili软件、SandiaNationalLaboratories的文献等。在设计风力机叶片时,可根据具体需要把叶片分成若干叶素,每一叶素可采用不同的翼型以达到最佳[1]运行状态。并设计出各叶素平面上的弦长、扭转角等具体参数。在本文中采用C.Kong文献中的叶片结构参数绘制单片长23.3米,最大弦长2.1米,旋角12°,叶片尖部弦长0.5米的叶片。其中最大弦长处的翼型是由NACA

5、66-018(总厚度的40%)与NACA63-018(总厚度的60%)组合而成。叶尖处采用NA2收稿日期:2007207201作者简介:林海晨(1978-),男,助教,硕士研究生,主要研究方向:固体力学和汽车检测。·44·绵阳师范学院学报(自然科学版)第26卷CA63218以达到最佳的空气动力性能。叶片截面的翼型数据通过Profili软件得到。具体方法如下:111导入叶片截面坐标点[2]通过Profili软件得到翼型截面的坐标点,参考中的方法在Excel软件中结合弦长和扭转角计算出实际叶片截面各点的坐标。将坐标文件以图1中的格式保存为3.txt文件。然后进k,1

6、,-124.746,-61.1455,23300k,2,-124.6965,-59.809,23300k,3,-124.5645,-58.421,23300k,4,-124.348,-56.9825,23300k,5,-124.045,-55.4955,23300k,6,-123.6545,-53.963,23300图1数据格式入ANSYS软件,点击主菜单→Preprocessor→Modeling→Cre2ate→Keypoints,再通过菜单File→Readinputfrom导入前面所保存的3.txt的坐标文件,文件中的各点就被ANSYS软件以Key2po

7、int的形式被导入,如图2。接下来就可以这些点为基础绘制叶片基线。112绘制叶片外形轮廓图通过主菜单→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→SplinethruKPs,再填出的对话框中通过点选Keypoint或输入Keypoint的序号,将各点按顺序连成线。从而分别绘制图2导入ANSYS中的坐标点出翼型的上弧线和下弧线。获得各叶素截面的外形轮廓图,如图3、图4所示。图3叶片尖端翼型图4叶片根部翼型紧接着用StraightLine命令分别连接各叶素翼型的前缘、后缘,至此叶面的外部轮廓线基本建成,如图5所示。113创建

8、叶片表面如果所设计的风力