基于流固耦合的風力機葉片疲勞破壞分析

張亞楠，周 勃，孫成才，陳長征

(1.沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870)

實驗研究

基于流固耦合的風力機葉片疲勞破壞分析

張亞楠1，周 勃2，孫成才2，陳長征1

(1.沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870)

流固耦合條件下風力機的葉片應力分析對大型風力機的疲勞破壞分析具有重要意義。本文以1.5 MW風力機葉片作為研究對象，基于計算流體力學(CFD)和Ansys Workbench仿真分析開展風力機葉片氣動力性能的流固耦合分析，以風力機葉片空氣動力載荷、旋轉慣性載荷作為主要載荷與結構變形的流固耦合交界面的載荷數據傳遞問題。結果表明，從弦長最大處到靠近葉尖1/3位置處，葉片后緣處應力呈增長趨勢，在靠近葉根處出現應力集中現象，最大應力達到了5.6 MPa，容易出現裂紋損傷，與風力機現實運行中出現的斷裂部位接近。證明本文所采用的分析方法的合理性。

流固耦合；風力機葉片；疲勞破壞；數據傳遞

0 前言

風力機葉片優化設計的主要目的是提高風能利用率，理論計算分析往往是在簡化模型的基礎上進行的，風力機運行中有些復雜情況無法準確預測，通過仿真技術能彌補這一缺陷。傳統上一般將風輪葉片簡化成變截面懸臂梁，風的動力效應等效成靜風力載荷來考慮。然而，實際上由于風力機工作在惡劣的大自然環境中，風剪切、隨機陣風、風力機起停等都會造成作用在風力機葉片上的荷載變化。而傳統的分析方式往往忽略了風載與葉片結構的耦合作用，對風力機正常運轉造成較大的影響[1-2]，不利于風力機的安全運行。

因此，國內外一些學者開展了風力機流固耦合方面的研究工作。張瑞琴等人對 NACA0012 翼型進行了流固耦合作用下的顫振研究[3]，得到顫振頻率與葉片低階固有頻率一致，來流速度和攻角是影響葉片氣動彈性穩定性的重要因素。胡芳琳等[4]利用RANS方程和SSTκ-ω湍流模型對旋轉葉片周圍的流場進行數值模擬，開展了風力機葉片氣動性能的流固耦合分析方法研究。任年鑫[5]等利用浮式風力機葉片與周圍流場的復雜非線性流固耦合分析，分別研究浮式平臺不同運動幅值和運動周期對風力機葉片氣動性能的影響規律。國內外研究表明，利用流固耦合技術對固體結構應力分析，相比加載流體載荷求解更加精確[6-8]。但是，目前國內對基于流固耦合的全尺寸風力機葉片結構強度研究還比較少。特別是對于全尺寸葉片在流固耦合條件下，葉片表面應力集中位置的研究幾乎還沒有涉及。

本文建立1.5 MW風力機葉片的全尺寸流固耦合分析模型，利用計算流體力學與Ansys Workbench對風力機葉片在空氣動力載荷和旋轉慣性載荷作用下的風力機葉片結構應力變化進行研究。

1 流固耦合理論方程

1.1 計算流體力學基本控制方程

控制方程是物理學守恒定律的數學表達形式，流體在流動過程中要遵守質量守恒定律和動量守恒定律等基本守恒定律。

(1) 質量守恒方程。流體流動質量守恒是流體介質流過空間某一控制體V，在相同的時間內，控制體內的質量變化率等于穿過控制體表面S的質量流量。其積分形式表示為

(1)

經過化簡計算式(1)變為

(2)

此方程也稱為連續方程，引入散度表達方式，式(3)可表示為

(3)

式中，ρ為流體密度；n為單位法向向量；t為流體流動時間；U為流體速度矢量；u、v和w為U在x、y和z方向上的分量。

風力機葉片流場仿真過程中，將空氣視為不可壓縮氣體，密度ρ為常數，那么式(2)則變為

(4)

(2)動量守恒方程。動量守恒是從牛頓第二定律發展過來的，可以表述為：控制體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在控制體上的各種力之和。在x、y和z三個方向的動量守恒方程可表示為

(5)

式中，p為流體控制體上的壓力；τxx、τxy和τxz分別為控制體表面上粘性應力τ的分量；Fx、Fy和Fz分別為控制體上的體力。

1.2 計算固體力學基本控制方程

在廣義坐標系下利用牛頓第二定律推導出固體結構的守恒方程為

(1.6)

1.3 流固耦合方程

流固耦合過程在流固耦合交界面處以守恒原則為基礎，實現流體和固體之間的數據傳遞，在不考慮溫度傳遞的情況下，流固耦合交界面處應滿足的方程為

(7)

式中，τf、τs分別為流體和固體的應力；df、ds分別為流體和固體的位移。

2 風力機葉片結構有限元計算模型

風力機葉片一般選用具有強度高、重量輕、耐老化、疲勞性能好和低成本特點的無堿型玻璃纖維增強材料(E-Glass)。這種材料是以環氧樹脂或不飽和樹脂為基底加入不同長度的E-玻璃纖維制成，本文采用的是以環氧樹脂和E-玻璃纖維(Epoxy-EGlass)鋪設而成的玻璃鋼材料，其參數性能如表1所示。

表1 玻璃鋼材料參數

首先以單向玻璃纖維布(Epoxy-E Glass-UD)為基礎鋪設子層纖維布，鋪層時以單向玻璃纖維布的纖維方向為基準方向，即0°方向，然后以90°方向、45°方向和-45°方向交錯鋪設[9]。定義完所需的鋪設材料后選擇合適的鋪層方式在已建立的葉片模型上進行鋪設，在葉片內部加強梁平面上，基準方向指向葉片外圍，厚度方向指向葉展方向，如圖1所示，其中黃色箭頭指向基準方向，紫色箭頭指向鋪層厚度方向。

圖1 葉片內部加強梁鋪層設計

葉片表面蒙皮鋪層時要考慮到葉展方向上蒙皮厚度不同的特點，由于越靠近葉根位置受到的彎矩和扭矩越大，因此沿葉展方向蒙皮厚度逐漸變薄。鋪設的第一層包含整個葉片，且基準方向指向葉展方向，其纖維排布如圖2所示，綠色箭頭指向纖維排布方向，從圖中可以看出子層玻璃纖維交錯排列方式。

圖2 葉片纖維排布方向

完成纖維復合材料葉片蒙皮鋪層后，蒙皮厚度變化趨勢如圖3所示，可以看到蒙皮厚度從葉根處厚度66 mm逐級遞減到葉尖處厚度的16 mm，單個葉片的總重量6 100 kg，滿足設計要求。

圖3 葉片鋪層厚度

3 流固耦合分析

選擇流體運算1.03 s時刻作為流固耦合時間節點，圖4為流固耦合后葉片壓力面和吸力面上的應力分布云圖，從壓力面應力分布情況可以看出，葉片截面弦長較大位置和葉片中部應力值較大，表明這些區域是氣動載荷的主要承載區域，提供了葉片旋轉所需的動力。壓力面上應力整體大于吸力面上應力，只是在葉片后緣處比較接近，葉片后緣處應力較大是由于邊緣比較薄引起的。從弦長最大處到靠近葉尖1/3位置處，葉片后緣處應力呈增長趨勢，主要是因為葉片厚度從葉根到葉尖厚度逐漸變薄且相對風速越來越大。在靠近葉根處出現應力集中現象，最大應力達到了5.6 MPa，因此在葉片根部容易出現疲勞破壞，與風力機現實運行中出現的疲勞破壞部位比較接近。

圖4 葉片壓力面和吸力面應力云圖

圖5為葉片在空氣動力載荷與旋轉慣性載荷綜合作用下的變形情況，從圖5b可以看到葉片總變形量從葉片中部開始出現變化，并在葉尖處達到最大變形位移98.5 mm，證明了葉片在設計安裝時進行預彎的必要性。對比全局坐標系下x、y、z方向上的變形結果發現z方向上葉片拉伸變形很小，對于幾十米長的葉片可以忽略其影響，因此，葉片變形主要由x、y負方向上的變形綜合引起，其中x負方向上影響占到25%左右，y負方向上影響占到75%左右，表明y負方向上的揮舞變形為葉片上主要振動變形形式，是造成葉片破壞的主要原因。

圖5 葉片變形云圖

4 結論

(1)從弦長最大處到靠近葉尖1/3位置處，葉片后緣處應力呈增長趨勢，且在靠近葉根處出現應力集中現象，最大應力達到了5.6 MPa，容易出現疲勞破壞。

(2)空氣動力載荷與旋轉慣性載荷綜合作用下葉片變形主要由x、y負方向上的變形綜合引起，其中x負方向上影響占到25%左右，y負方向上影響占到75%左右，表明y負方向上的揮舞變形為葉片上主要振動變形形式，是造成葉片破壞的主要原因。

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Fatigue failure analysis of wind turbine blade based onfluid structure interaction

ZHANG Ya-nan1, ZHOU Bo2, SUN Cheng-cai2, CHEN Chang-zheng1

(1. School of mechanical engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China;2. School of architecture & civil engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The analysis of wind turbine blade stress under the condition of fluid solid coupling is great significance to the analysis of the fatigue failure of large wind turbine. In this paper, 1.5 MW wind turbine blade as the research object, carry out simulation analysis coupling dynamic performance in wind turbine gas flow based on computational fluid dynamics (CFD) and Ansys Workbench, and analysis the load data transfer problem between taking aerodynamic load and the rotating inertial load as the main load and the load of fluid solid coupling interface of structural deformation the wind turbine blade. The results show that the stress at the trailing edge of the blade is increasing, from the maximum chord length to near the tip position of 1/3, stress concentration appears at the root of the blade. The maximum stress is 5.6 MPa, and the position is easy to crack damage, which is close to the fracture site in the reality operation of wind turbine. The rationality of the analytical method used in this paper is proved.

fluid structure interaction; wind turbine blade; fatigue failure; data transfer

2016-06-24；

2016-08-19

國家自然科學基金項目(51575361)；中國博士后科學基金項目(2014M560220)；遼寧省百千萬人才工程項目(2015049)

張亞楠(1988-)，男，遼寧鞍山人，博士研究生，研究方向為風力機葉片裂紋擴展分析。

TK83

A

1001-196X(2017)02-0021-04