基于ANSYS的10 MW風力機葉片彎扭耦合特性研究

VasilisRiziotisGiannisSeferainTohidBagherpour

(1.華中科技大學中歐清潔與可再生能源學院，武漢 430074； 2.華中科技大學能源與動力工程學院，武漢 430074； 3.School of Mechanical Engineering, National Technology University of Athens, 9 HeroonPolytechneiou Street, GR15780 Athens, Greece)

0 引 言

隨著風力機發電容量的不斷增大，風力機葉片趨于大型化的同時，承受的載荷也越來越大。目前主流葉片都采用復合材料制成。在葉片中引入材料的彎扭耦合(BTC)效應成為一種流行的葉片減載荷方式[1]。彎扭耦合是指當葉片在風載荷作用下，彎曲的同時發生扭轉變形的現象。這種現象會導致攻角的改變，減少葉片承受的載荷。該方法是通過改變葉片梁帽上或者表皮上各向異性材料的鋪層角度來實現鋪層水平上法向應力和剪切應力的耦合，從而引起葉片的彎曲和扭轉耦合。

對葉片彎扭耦合的模擬是基于不均勻各向異性梁理論和有限元理論。Blasques等[2]結合Saint-Venant理論開發了二維梁截面特性分析工具BECAS。Bagherpour等[3]采用BECAS結合hGAST(一維各向異性梁分析工具)模擬了葉片的彎扭耦合特性。Fedorov和Berggreen[4]提出彎扭耦合系數計算方法。Hang Meng[5]等使用BECAS和一維各向異性梁模擬在彎扭耦合影響下葉片承受的載荷用于疲勞壽命分析。上述文獻都是將3D葉片分為了2D翼型截面和1D梁結合的形式來分析彎扭耦合特性。這種簡化的方式將模型置于不同的計算環境，且網格劃分稀疏，增大了結果的不確定性。此外當需要通過改變材料鋪層角度在葉片中引入彎扭耦合特性時，計算過程繁瑣。文中通過建立葉片整體三維有限元模型分析彎扭耦合特性。可有效避免由于計算環境不同帶來的誤差，且網格劃分密集，增加了結果的可靠性。另外直接通過改變參數化編程語言中參數的方式在葉片中引入不同的鋪層角度和鋪層位置，極大的提高了計算效率。國內在風力機葉片彎扭耦合領域的文獻較少，隨著海上風電的發展，大容量風力機組已成必然趨勢。劉宇航等[6]和安立強[7]等在ANSYS中建立了三維葉片模型，分析了葉片在氣動載荷作用下的變形情況。但由于采用的5 MW 葉片數據，翼型截面結構簡單，結果不理想。文中采用了最新的DTU 10 MW風力機葉片數據，分析葉片在不同鋪層角度下的氣動彈性響應和該葉片能夠取得的最大扭轉變形，彎扭耦合效應明顯。為其他研究人員提供參考。

1 有限元模型

1.1 箱形梁有限元模型

葉片具有長寬比，長厚比大的特點，常用箱形梁做初步模擬。文中首先在ANSYS中建立了箱形梁有限元模型，與已有的實驗數據和其他數值模擬結果作對比分析。

采用了Chadra[8]實驗梁數據。其為薄壁復合材料梁，長0.762 m，恒定的箱型截面，尺寸為13.6*24.2 mm(0.537*0.953 inch ),壁厚7.6 mm(0.03 inch)，對稱鋪層，上下為[45]6，左右為[±45]3,材料為AS4/3501-6單向石墨/環氧樹脂，經坐標系轉換后完整的材料特性見表1。

表1箱型梁材料特性

材料名稱彈性模量/GPa泊松比ExEyEzGxyGxzGyzVxyVxzVyz密度/kg·m-3AS4/3501-61420.810.8166.133.770.30.420.421580

邊界條件為一端采用固定約束，另一端加載垂直集中力4.448 N。在ANSYS中選擇適用于復合材料建模的shell181單元，它是每個節點具有6個自由度的4節點單元，適用于模擬分層的復合殼或夾層結構。此外需要注意的是，鋪層的偏置情況需選擇向內偏置。在箱型梁各截面建立中心節點，并通過MPC多點約束方法耦合參考點與截面上各從節點來分析梁的變形情況。

圖1展示了ANSYS結果與Chadra的實驗解，Stablein和Hansen[9]，Smith和Chopra[10]的數值解以及Bagherpour使用一維梁模型和二維截面結合模擬得到的數值結果的對比。在扭轉角度上ANSYS很好的捕捉了變化趨勢；在彎曲方向上，ANSYS表現出良好的預測能力，相比于其他軟件，ANSYS的結果更接近實驗解。

圖1 梁模型的實驗解和數值解

1.2 DTU 10MW 實驗風機

該風力機設計風況等級為IEC IA級，為變速變槳距，三葉片風力機，風輪直徑為178.3 m，輪轂中心距地面119 m。切入風速為4 m/s，切出風速為25 m/s，額定風速為11.4 m/s，在額定轉速9.6rpm下達到10 MW額定輸出功率。葉片總長度為89.166 m，從葉根到葉尖共分為101個不同的翼型截面，3個腹板支撐結構。如圖2所示每個翼型截面分為11個部分。

圖2 翼型截面示意

葉片由單軸向布，雙軸向布，三軸向布和巴沙木四種材料組成，材料特性如表2所示。材料的鋪層順序和厚度以及葉片的預彎和預扭隨葉片展向分布可參見文獻[11]。關于DTU10 MW風力機的更多參數可參見文獻[12]。翼型截面坐標系為X軸沿弦線方向由尾緣指向前緣；Y軸垂直于X軸由吸力面指向壓力面，Z軸由葉片根部指向葉尖。載荷計算也將遵循該坐標系。

1.3 建立葉片有限元模型

通過設置材料屬性-輸入關鍵點-生成翼型輪廓-生成面-定義鋪層-網格劃分的步驟建立葉片殼有限元模型。利用參數化設計語言APDL的循環特性實現快速建模。葉片模型共由19569個單元和19007個節點組成，其中包括101個在不同翼型截面位置處建立的MPC主節點。

在葉根加固定約束后，前八階振型如圖3所示，葉片振型從低階到高階逐漸復雜，一階振型為葉片一階揮舞振動，二階振型為葉片一階擺振振動，三階振型為二階揮舞振動，四階振型為二階擺振振動，五階振型為三階揮舞振動，六階振型為一階扭轉振動，七階振型為高階擺振振動，八階振型為高階揮舞振動。

圖3 葉片前八階振型

對應的固有頻率與其他模擬空氣彈性變形工具的結果[13]作對比，見表3。其中hGAST，NEREA，Cp-Lambda，HAWC2采用的是梁理論，NISA是三維有限元模型。可見ANSYS的模擬結果與其他軟件結果具有良好的一致性。

表2葉片材料特性

材料類型楊氏模量(Gpa)剪切模量(Gpa)泊松比ExEyEzGxGyGzVyxVyzVxz密度(kg/m3)單軸向布14.9313.4241.635.005.005.000.030.260.241915.50雙軸向布13.9212.1013.9211.504.534.530.030.270.531845.00三軸向布14.7012.1021.809.414.534.530.030.270.471845.00巴沙木0.052.730.050.020.150.150.010.010.50110.00

表3葉片固有頻率對比

ModeANSYShGASTNEREACp-LambdaHAWC2NISA11st flap0.601 430.620.620.620.610.6421st edge0.934 580.940.940.940.930.9632nd flap1.722 91.761.741.761.741.8542nd edge2.807 82.82.792.82.772.8653rd flap3.518 63.593.523.63.573.7661st torsion5.486 15.45.36-6.66.0173rd edge5.587 95.735.615.745.75.8284th flap6.067 26.096.036.116.11-

2 葉片的彎扭耦合特性

通過改變梁帽位置單軸向布的鋪層角度在葉片結構中引入彎扭耦合。鋪層角度在葉片上下表面對稱分布。計算葉片在11.4 m/s額定風速下，即風力機正常發電工況下葉片的彎曲和扭轉變形情況，其中風為穩態風。

通過葉素動量理論(BEM)和葉片變形量迭代得到葉片受到的氣動載荷。過程如下：首先在ANSYS中輸入一個初始載荷，之后將對應的葉片變形輸入BEM程序得到新的載荷，重復該過程直到葉片變形穩定，得到該葉片變形下對應的載荷。鋪層角度為0度和10度條件下葉片受到的氣動載荷設為載荷1和載荷2，如圖4所示。氣動載荷在葉根區域較小，沿著葉展方向逐漸增大，接近葉尖位置時急速下降。載荷1和載荷2均為均布載荷，經過式1轉化為集中力后通過MPC節點耦合的方式施加到葉片殼有限元模型的101個截面上。

設截面i距葉根距離為X，受到的集中力為F，則：

(1)

其中，(0

圖4 額定風況下氣動載荷

圖5展示了葉片在0度鋪層下的變形情況及10度鋪層下加載載荷1和載荷2得到的彎扭變形。葉片的彎扭變形連續，沿著葉展方向不斷增大，在葉尖達到最大值。在額定風速下，0度鋪層葉片葉尖彎曲變形為8.89m，扭轉變形為1.06度。10度鋪層葉片在載荷2作用下，葉尖彎曲變形為9.68m，扭轉變形為4.16度。10度鋪層葉片在兩種情況下葉尖最大扭轉角度誤差為3.6%。由于計算載荷的迭代過程復雜，接下來的計算將直接采用在0度鋪層條件下的載荷。

圖5 葉片在0度鋪層和10度鋪層下變形

由于材料鋪層角度和耦合區域的不同會影響葉片的彎扭耦合性能。這里設定葉尖扭轉角度在2度到6度以0.5度的間隔變化，通過改變鋪層角度和起始位置的不同組合以得到預期的葉尖扭轉角度。選定鋪層起始位置為0%，20%，35%或50%，結果如圖6所示。從圖中可以看到耦合區域越靠近葉尖，達到指定的葉尖扭轉角度需要的鋪層角度越大；彎扭耦合系數在鋪層角度為18.5度之后下降；可達到的最大葉尖扭轉變形為6度。這表明如果繼續增大鋪層角度，不會造成葉片扭轉變形的繼續增大，從而不會造成葉片載荷的降低。為設計具有優良彎扭耦合性能的葉片提供參考。

圖6 彎扭耦合特性圖

3 結束語

(1)在ANSYS里選用shell 181單元建立箱形梁模型，改變梁表面材料鋪層角度，梁在自由端集中力作用下的變形與已有的實驗結果和數值結果基本一致。在彎曲變形上ANSYS模擬結果更接近實驗結果。

(2)建立了10 MW葉片殼有限元模型，通過改變梁帽位置材料鋪層角度在葉片中引入彎扭耦合效應。由于采用參數化設計語言，在快速實現模型建立之外，還極大的方便了模型參數的修改，例如鋪層角度和耦合位置的改變，極大的提高了計算效率。

(3)通過繪制彎扭耦合特性圖發現葉片的扭轉變形不會隨著鋪層角度的增大而無限增大，為設計具有優良氣動彈性裁剪性能的葉片提供參考。

(4)文中模擬了葉片在彎扭耦合作用下的變形情況，沒有涉及葉片載荷量的計算，接下來可在這一方面繼續研究。此外，由于載荷的降低，在葉片疲勞失效范圍內可以考慮減少葉片材料，達到經濟性的目的。