應用ANSYS對復合材料風力機葉片進行結構分析

中國石化集團新星陜西新源科技有限公司 周文斌

1 引言

當前，風力發電是最有價值的非常規能源。伴隨著全世界各國的風力發電機組朝著大功率方向的不斷發展，風力機葉片的長度逐漸增加，當前世界各國最大復合材料的風力機葉片是由丹麥LM公司生產，其葉片的長度高達61.5m，每一片重量約為18噸，由此可見風力機葉片是構成風力發電機組的不可缺少的部件。風力發電機葉片的生產成本約占風力發電機總廠成本的15%～20%。通過提高風力發電機機葉片的使用時間，可有效降低風力發電機葉片的初始成本[1]。

葉片的設計對風力發電機的整體性能起著至關重要的作用，為了達到理想的橫截面并產生最大的扭矩驅動風力發電機，適當的葉片設計是必要的。風力發電機葉片大多都使用復合型材料制造，由于其材質輕，可以顯著提高發電的強度和效率，因此在大型風力機葉片中得到了大家的認可并被廣泛應用。葉片是風力發電機中的一個重要部件，其外形要求保證了風力發電機具有足夠的升力、氣動力，其特定的結構保證了風力發電機具有足夠的剛度和穩定性。

風力發電機是一種把風能轉化為電能的裝置，風力發電機將風的動能轉化為機械能，風力發電機的效率由葉片的材質、葉片的形狀和葉片的角度共同決定。在所有的風力發電機中，葉片的材料起到了至關重要的影響。葉片材料應具有低密度、高剛度和長疲勞壽命的特點。多使用復合材料用于葉片的結構設計。環氧樹脂材料、芳綸纖維和碳纖維增強聚合物（CFRP）正在取代傳統的部件。碳纖維增強聚合物（CFRP）是風力發電行業中最常用的復合材料。復合材料由至少兩種材料組成，這兩種材料共同作用以提高優于各自單一成分材料的性能。纖維增強聚合物（FRP）復合材料是那些有碳、玻璃、芳綸、聚合物，或天然纖維嵌入在聚合物基體組成[2]。

伴隨著我國社會經濟的不斷發展，人們提高了對清潔的可再生的能源開發與利用的認識和重視度，使用風力帶來的發電量在總體發電量中的比例越來越大。當前，我國風力事業由原來的不精細化向精細化的方面發展，且越來越成熟。因為風電機組使用的外界環境非常糟糕，在現場使用時會受到許多外界原因的干擾而遠離提前設計好的工作目標，導致對應的風能利用率比較差。多數的機組使用狀態與功能，是由系統的記錄機組工作外界環境和每個非常重要的形成配件之間的運行數據來反饋的。這一次對風電機組的造電功能及檢測的高斯過程回歸分析，當發電機的性能在不正常的情況下時，更需要及時向相關人員發出警告，快速對每個部件的使用狀態實施檢測和分析，這種辦法對我國風電事業的發展和運行管理具有深遠的意義。

在相同風速的情況下，受風速與湍流、偏航誤差、葉輪變槳系統及葉尖速比因素影響，該機組發出的功率也會不同。具體內容是：一是風速與湍流因素[3]。在風速大小不同的外界環境下，風電機組運行的方式也不相同，降低了風能利用效率，而湍流是對風速在較短時間內變化情況的具體反饋，這是由地形的不同和風的大小造成的；二是偏航誤差因素。當風得方向產生很大變化時，對機艙頂部方向標檢測，以保證葉輪與來流方向之間的垂直，使葉輪獲得非常大的風能，發電機組偏航系統使機艙與葉璇進行對風；三是葉輪變槳系統因素。該系統包含平均漿距角與葉片1與2之間漿距角偏差、葉片2與3之間漿距角偏差及葉片3與1之間漿距角偏差。當風再次作用于葉片上時氣動轉矩產生，并推動葉輪旋轉做功。葉輪捕捉風能效率決定了風電機組發電性能的高低；四是葉尖速比因素。當風電機組在最大風能追蹤模式時，代表切入風速到固定的風速之間，風速發生一定的變化后，控制系統會主動對該機組電磁轉矩進一步的調整，以保證在風速大小不相同的情況下，葉輪最終可以得到最大的氣動轉矩。

在現場運行情況下，風電機組處于良好的使用狀態時，其發電性能與外界、自身設備等因素關系復雜，可以使用發電性能模型進一步描述。建立模型之后就可以輸入新的運行參數成為發電性能的新模型，監督風電機組的發電性能。當機組發電性能使用良好時，表示發電性能模型在輸入、輸出參數與其之前形成的發電性能之間的關系保持聯通。如果發現機組的發電功能發生變化時，代表著模型重新的輸入和輸出時形成的聯系與模型記憶的發電性能有一定距離，這種情況暗示了機組發電性能可發生不正常的異變，要加強改善[4]。

風力機葉片的構成分析結果可以成為風力機葉片結構設計的重要技術基礎之一，并在大功率的風力機葉片構成的校對和優化設計當中起到了決定性的作用。由于大型復合的材料風力機葉片的外形構成和鋪層結構都非常復雜，存在大量過渡層和夾芯結構，因此大量使用了有限元法進行風力機葉片構成的分析。如段昭對600kW風力機葉片應力分布進行了有限元分析，發現葉片根部處應力最大[5]。

2 材料

為風車葉片尋找合適的材料是該項分析工作的關鍵目標之一。纖維增強材料是葉片中常用的材料。E-Glass、E-carbon、Kevlar 纖維和碳纖維增強聚合物是本實驗使用的材料。表1列出了在此分析中使用的材料屬性。

表1 材料屬性

3 計算

為了方便計算，所有假設都是基于標準大氣條件。平均環境溫度為36℃。使用公式（1）、公式（2）和公式（3）計算葉片的質量，使用公式（4）～（6）計算葉片上的受力和壓力。

葉片半徑，r=410mm；

風速，v=6m/s；

空氣密度，ρ=1.23kg/m3；

力量系數，Cp=0.4；

使用掃掠區域的半徑作為公式中葉片長度的值，即：

4 使用ANSYS進行結構分析

采用進口風車型風力機葉片，利用ANSYS有限元分析軟件進行葉片構成的靜力學分析，進而研究葉片結構的性能特點。使用最大和最小應變要求，以確保沒有模型元素超過材料的設計應變。對環氧玻璃、碳纖維、芳綸、碳纖維增強的聚合物材料進行了計算分析。

4.1 網格劃分

一旦數據輸入完成，網格劃分過程就正式開始了。網格劃分是工程模擬程序中的一個至關重要步驟，涉及將復雜的幾何圖形分解成簡單的單元，這些單元可以在整個區域能作為獨立的部件。通過圖1所示的框線可觀察網格劃分。

圖1 E-玻璃纖維網格屬性

ANSYS的網格劃分能力，有助于減少獲得準確結果所需要的時間和精力。由于網格劃分占用了獲得仿真模擬結果所需要的大部分時間，所以ANSYS幫助開發了更強大、更自動化的網格劃分方法。風車的節點和元素數量如表2所示。

表2 節點和元素數量

以下條件用于材料分析：一是整體變形；二是等效米塞斯應力；三是最大剪切應力；四是應變能。

ANSYS查找和獲得的讀數顯示在界面下方。對于所考慮的材料，找到了最大和最小參數值。

4.2 E-玻璃纖維

E-玻璃（硼硅酸鹽玻璃，由于具有高電阻特點故又被稱為“電玻璃”或“E-玻璃”）是一種由鈣鋁硼硅酸鹽組成的玻璃，其堿含量最高為2%。當需要高電阻率和高強度時，將會使用E-玻璃[5]。

形變也稱作為壓力，是由溫度變化或施加的力引起物體大小和形狀發生變化。由于受力范圍、材料和施加的力的不同，物體將會發生各種類型的形變。使用簡單的單軸拉伸試驗結果、米塞斯應力計算物體材料在任何加載條件下的屈服情況。

圖2和圖3分別給出了E-玻璃纖維所制備的風力發電機葉片的總變形量和應變能。

圖2 總形變量（E-玻璃）

圖3 應變能（E-玻璃）

分析結果表明，E-玻璃整體形變量最大為0.002843m，最小型變量為0m。在靜力結構分析中，等效米塞斯（Von-Mises）應力最大值為1.5131×109Pa，最小值為1324.7Pa。最大剪應力為8.7139×108Pa，最小剪應力為756.84Pa。最大應變能為0.087977J，最小應變能為1.7694×10-8J。

4.3 芳綸纖維

自20世紀七十年代以來，芳綸纖維已成功用于替代賽車輪胎里面的鋼材。由于芳綸纖維具有抗拉強度高、比強度好（剛度/重量）、振動水平低等特點，在復合材料部件中其被廣泛用于編織物。

應變能在物理學中是指金屬絲在拉伸過程中通過施加拉伸力所獲得的彈性勢能。線彈性材料的應變能是：當組成分子的原子在化學反應中能夠重新排列時，應變能將會得到釋放。

圖4和圖5分別給出了芳綸纖維材料所制備的風力發電機葉片的總形變和應變能結果。

圖4 總形變量（芳綸纖維）

圖5 應變能（芳綸纖維）

分析結果表明，芳綸纖維的總形變量最大值為0.0028311m，最小值為0m。在靜力學結構分析下，等效米塞斯（Von-Mises）應力最大值為10.9737×108Pa，最小值為17273Pa。最大剪切應力值為6.7563×103Pa，最小剪切應力值為9792.7 Pa。最大應變能為0.073113J，最小應變能為2.9614×10-9J。

4.4 碳纖維

環氧樹脂碳，又被稱為碳纖維，主要成分是由碳原子形成的直徑為5～10um的纖維絲。碳纖維具有超高的硬度、超高伸縮的強度、低質量、高耐化學性、良好的抗高溫性能和低熱膨脹系數等特點。

為了制備復合材料，碳纖維通常與其他材料向相混合。為了形成碳纖維增強型聚合物，需要對聚合物樹脂進行烘烤處理。由于碳纖維具有很高的比強度和剛度，因此容易脆化。同時，碳纖維也可以與包括石墨在內的其它材料相混合，制備高耐熱性、高強度的碳-碳復合材料。

圖6和圖7分別給出了碳纖維材料所制備的風力發電機葉片的總形變量、等效米塞斯應力和應變能結果。

圖6 總形變量（碳纖維）

圖7 等效米塞斯應力（碳纖維）

分析結果表明，碳纖維的總形變最大值為0.0018077m，最小值為0m。在靜力結構分析中，等效米塞斯（Von-Mises）應力的最大值為9.6602×108Pa，最小值為21267Pa。最大剪切應力值為5.576×108Pa，最小剪切應力值為11722Pa。最大應變能為0.05568J，最小應變能為2.6767×10-9J。

5 結果與討論

通過使用復合材料風力發電機葉片的真實結構來改進有限元結構模型，尤其是材料性能和拓撲結構更為重要。利用ANSYS軟件可以對風力發電機葉片的形變狀態和應力分布進行測量。本文分析了三種不同的材料。表3給出了不同材料的ANSYS計算結果，主要包括：總形變量、等效米塞斯（Von-Mises）應力、最大剪應力和應變能的最大值和最小值。

表3 分析對比結果-ANSYS

由圖8（a）可以看出，E-碳材料在施加載荷時的形變量最小。這說明與其他復合材料相比，E-碳材料是強度最高的材料。由圖8（b）可以看出，E-碳材料具有最小的米塞斯（Von-Mises）應力值，因其能夠承受單位面積內的最大力。與其它復合材料相比，E-玻璃纖維具有更高的應力值。

圖8 （a）總應變（b）等效米塞斯應力（c）應變能

應變能在物理學中是指，金屬絲在拉伸過程中通過施加拉伸力所獲得的彈性勢能。由圖8（c）可以看出，與其他復合材料相比，碳纖維增強型聚合物（CFRP）材料的應變能最大，E-碳材料的應變能最小。

較小的形變量對風葉片結構有利。為確定一個合適且安全的設計，應該避免部件發生形變。對于一個安全的結構，變形應該是最小的。利用ANSYS軟件對標準風力發電機葉片進行了詳細分析，并重點研究了四種不同的復合材料性能。

靜力學分析結果表明，與其他復合材料相比，E-碳材料的形變量最小，為0.0018077m；與其他材料相比，E-碳材料的等效米塞斯（Von-Mises）應力最小，為9.6602×108Pa；與其他材料相比，E-碳材料的最小剪應力為5.576×108Pa；在特定的條件下，對風力發電機機葉片的分析結果表明，E-碳材料是一種制備銷輪式葉片的最佳材料。

6 結論

一是本研究旨在改進小型風力發電機葉片的設計。為了簡化有限元模型的結構和縮短設計周期，項目組人員編寫了一個計算機程序，并將所有需要的文件都輸入到一個通用的軟件包中；二是由于風力發電機葉片結構復雜且手工制備了不同的復合材料，故需要將模型的輸出結果必須與實際的葉片進行對比；三是靜力學分析結果表明，與其他復合材料相比，E-碳材料的形變量最小，為0.0018077m；四是通過ANSYS分析，篩選出了針對特定風力發電機葉片的最佳材料。E-碳材料在總形變、等效米塞斯應力、最大剪應力和應變能方面均表現優異；五是在特定的條件下，對風力發電機機葉片的分析結果表明，E-碳材料是一種制備銷輪式葉片的最佳材料。