風電葉片建模及結構分析與測試*

孔 魁，周曉亮，程明哲

（浙江運達風電股份有限公司風力發電系統國家重點實驗室，浙江杭州 310012）

0 引言

風電葉片是風力發電設備的關鍵部件，其制造成本占設備總成本的20%～30%，葉片設計與制造是風電機組中較關鍵的技術[1～5]，直接決定了風電機組的發電性能、設備的可靠性，同時也影響著整機的載荷水平。FOCUS軟件是一款用于風電機組及組件快速設計分析的工具，在國內外有多年的應用史[6～7]。鑒于此，本文基于FOCUS軟件構建某兆瓦級葉片模型并進行結構分析，并通過與測試值對比，驗證計算的可靠性。

1 建立葉片FOCUS模型

FOCUS具有三維交互式或參數化兩種建模方式；參數化建模能夠快速創建葉片模型，三維交互式界面可直觀顯像葉片設計，方便檢查和調整模型。葉片FOCUS建模流程如圖1所示。

使用FOCUS進行葉片建模具體流程如下：首先，通過單位弦長為1的翼型坐標點定義翼型輪廓線和旋轉中心；其次，設置各截面所選用的翼型、弦長、扭角、預彎數據創建葉片的三維外形；然后在三維外形的基礎上定義各部件鋪層邊界；最后，選擇各鋪層對應的材料類型和鋪層邊界，根據設計厚度和層數及對應的截面位置，完成風力機葉片的建模。

圖1 葉片建模流程圖

2 葉片的重量計算及模態分析

2.1 葉片重量計算

基于 FOCUS的 FAROB_Parse_Model和 FAR?OB_Build_Blade_database計算步下，提取該葉片模型的截面屬性。圖2為計算得到的葉片的質量分布，由于葉根段要與變槳軸承通過螺栓連接，其設計厚度較大，同時葉根基體內埋有金屬螺栓套，故葉根處的單位重量最大。葉片的計算重量12 067 kg，葉片實際重量12 425 kg，重量偏差2.88%。

圖2 葉片模型質量分布

圖3 揮舞一階頻率

2.2 葉片的模態計算

研究葉片模態，主要是計算葉片的頻率及振型，防止葉片頻率與風輪激振頻率和塔架固有頻率發生共振。基于FOCUS軟件的FAROB_eigen_frquencies計算步下，對葉片模型進行模態分析，并提取一階揮舞、二階揮舞、一階擺振和二階擺振的振型，如圖3～6所示。

計算頻率與測試頻率對比見表1，計算與測試偏差在5%以內，符合GL2010規范要求。

圖4 揮舞二階頻率

圖5 擺振一階頻率

3 靜力分析

3.1 位移分析

葉片靜力測試過程中，通過特定截面安裝的加載夾具，將測試載荷逐步從0%，40%，60%，80%加載到100%。利用FOCUS的自定義載荷模塊，將四個方向上的測試載荷定義為四個載荷工況，對FOCUS中葉片的梁單元模型加載測試載荷，仿真葉片各截面的加載位移，四個加載工況下葉片位移的仿真值與測試值對比如圖7～10。

圖7 最大揮舞方向位移仿真值與測試值對比

圖9 最大擺振方向位移仿真值與測試值對比

圖6 擺振二階頻率

表1 FOCUS計算頻率與測試頻率對比

圖8 最小揮舞方向位移仿真值與測試值對比

圖10 最小擺振方向位移仿真值與測試值對比

在最小揮舞方向上的加載位移與測試值偏差最大，偏差值為5.67%，仍符合GL2010規范關于位移偏差不超過7%的要求，說明該模型能真實反映葉片受載時的葉尖撓度。

3.2 應變分析

將在FOCUS中自定義的四個方向測試載荷工況，分別加載到葉片的梁單元模型上，四個加載工況下葉片應變云圖如圖11～16所示。

圖11 最大揮舞方向PS面應變分布

圖12 最大揮舞方向SS面應變分布

圖13 最小揮舞方向PS面應變分布

圖14 最小揮舞方向SS面應變分布

圖15 最大擺振方向應變分布

圖16 最小擺振方向應變分布

靜力測試過程中，通過安裝應變片來監測葉片關鍵部位應變值，不同測試工況、不同監測位置處的測試應變及計算應變對比如表2、表3所示，計算應變與測試應變最大偏差為8.3%，符合GL2010規范中關于測試應變與計算應變不超過10%的偏差要求，說明采用FOCUS中梁單元模型進行應變分析，可較好的反映葉片實際受載時的應變情況，滿足設計要求。

表2 主梁位置計算應變與測試應變對比

表3 前緣、后緣位置計算應變與測試應變對比

4 基于FOCUS的穩定性分析

葉片設計準則之一是要避免葉片的屈曲失穩，在葉片的揮舞、擺振任一方向彎曲載荷作用下，當葉片某一截面的應力達到某一水平，截面局部發生突變，剛度下降，導致葉片發生屈曲失穩破壞，后緣粘接寬度直接影響后緣剛度，而后緣剛度不足也最易導致葉片最小擺振方向屈曲失穩，以下以最小擺振方向屈曲分析為例，研究粘接寬度對葉片穩定性的影響。模型葉片后緣在21 m之后一直到葉尖，PS面和SS面殼體采用結構膠粘接的形式。這種粘接形式在FOCUS模型中等效為小腹板結構形式，距葉根21 m之后后緣粘接在FOCUS模型中等效形式如圖17所示。

基于FOCUS的Finstrip模塊，進行橫截面屈曲分析，分析結果表明：在距葉根10～21 m的范圍內屈曲載荷系數不足規范要求的2.04，后緣發生失穩，統計距葉根2.8～46 m范圍內屈曲載荷系數如圖19所示。

圖17 距葉根21 m后后緣粘接等效形式

圖18 不同截面屈曲載荷系數分布

10～21 m，PS面、SS面合模間隙過大，不適合采用直接粘接的形式，為解決后緣屈曲破壞情況，在該區域采用粘接座的形式來增加后緣在該區域的粘接寬度，增加后緣粘接座的等效模型如圖19所示。

調整后的模型屈曲載荷系數明顯提高，如圖20所示，各截面屈曲載荷系數滿足GL2010規范設計要求。

圖19 優化后的后緣粘接等效模型

5 結論

基于FOCUS對某兆瓦級葉片建模，計算葉片重量與測試重量相比偏差2.88%，計算頻率與測試頻率最大偏差4.6%，計算位移與測試位移最大偏差5.67%，不同位置處的計算應變與測試應變最大偏差8.3%，均滿足GL2010規范中關于頻率、位移、應變偏差分別不超過5%、7%、10%的要求，表明模型構建合理，計算方法可靠。

圖20 不同截面屈曲載荷系數分布

在FOCUS穩定性計算的基礎上，通過優化后緣粘接，改善了葉片后緣剛度，使葉片的屈曲載荷系數達到了設計要求。

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