基于MIDAS有限元分析法100M級葉片變槳俯仰后處理設備力學分析

摘要：風電葉片的發展無論是海上風電機組還是陸上風電機組或陸上超低風速風電機組，其趨勢都是大型化，其結果就是葉片的設計大型化、重量越來越大。傳統的葉片后處理方式是通過人工對其進行打磨噴涂，此過程中需要翻轉葉片，傳統的方式為使用圈車或定滑輪工裝等方式翻轉葉片進行后處理操作，極易損壞葉片及腹板部分。為了避免葉片損傷，產出高質量的葉片成品，研發一種綜合后處理智能操作系統，對葉片進行自由俯仰及自由旋轉操作，從而實現對葉片的打磨、噴漆以及進行相控陣無損檢測的功能迫在眉睫。文章首先利用Solidworks三維軟件的建模功能，提供一種大型風力發電葉片變槳俯仰后處理設備設計技術，具體包括底座裝置、回轉裝置、變槳裝置及液壓泵站等模塊，接著利用MIDAS有限元軟件的分析功能，提供了一種葉片變槳俯仰后處理設備有限元分析技術，對設備在各種翻轉工況下的受力變形情況進行分析，確保葉片在變槳、升降過程中的安全性。分析結果表明，該變槳俯仰后處理設備的設計滿足強度和剛度要求。

關鍵詞：三維建模；強度與剛度；安全性；力學分析

中圖分類號：TH123文獻標志碼：A

0 引言

風電葉片是風力發電系統中最基礎也是最核心的部件，作為風力發電機組的關鍵核心部件之一［1］，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素。隨著我國風電機組大型化和海上風電快速發展，業內對大功率風電機組的需求不斷提升，百米級葉片的量產成為趨勢，對葉片工藝制作也有了更高的要求。為了保證風電葉片能夠正常地投入使用，在葉片通過模具生產出來之后，還需要經過一系列的后處理工序，其后處理操作主要包括切邊修整、葉片殼體表面打磨處理以及油漆噴涂等。本文從百米級大型超長葉片后處理智能操作系統設計出發，利用Solidworks三維軟件的建模功能，對葉片變槳俯仰后處理設備進行設計，并利用有限元分析軟件MIDAS對該設備結構進行力學載荷分析與結構優化，從而保證了高強度與高剛度，保障了安全性的設計目標。

1 葉片變槳俯仰后處理設備概念設計

（1）功能介紹：葉片處于無約束水平懸掛狀態、自動變槳狀態、俯仰狀態等狀態下，設備具有法蘭邊切割、機器人整體打磨、前后緣補強、避雷測試、各向頻率特征值測試等功能。

（2）機頭結構說明：以變槳軸承垂直面為基準，俯仰角度為±30°，變槳軸承連接轉接法蘭，轉接法蘭連接葉片，1/2數量的螺栓+1/3的力矩鎖緊連接；機頭部分今后考慮增加機器人加載螺栓鎖緊力矩。

（3）配備自適應安全防護系統確保所有后處理工作安全可靠、葉片水平懸空時對操作人員以及產品本身的安全防護。

（4）配備帶轉運、升降與小角度俯仰功能的同步AGV小車自動對接該系統。小車具備起模、轉運、發運等多重功能，徹底去掉圈車和吊車。

（5）配備全自動切邊與打磨機器人，徹底消除葉片因工裝支撐造成分次涂裝帶來的色差。

（6）配備頻率測試系統：葉片整體水平懸空，各階葉片頻率測試非?？旖?，方便用于今后健康監測系統電子身份證的數據標準之一。

（7）配備最先進的葉片用超聲相控陣自動檢測設備（AMS-71PA/73PA），保障葉片缺陷檢測率為100%，同步增加出廠前的視頻檢測。

2 葉片變槳俯仰后處理設備設計

葉片變槳俯仰后處理設備主要有底座裝置、回轉裝置、變槳裝置、自動鎖螺絲裝置、舉升定位裝置［2］。

2.1 底座設計

底座主體采用鋼板和方管焊接結構，外表噴塑防腐處理，四周鋪踏板，后面加防護圍欄，增加短支撐底座。邊角位置安裝地腳螺絲，用于調節設備水平狀態。底座組件是整個系統結構件的安裝底座，所有子系統均安裝在底座上，底座同時起到分散結構對地面的壓力作用。

底座主要由3部分組成：底座、前加長底座、后加長底座。

2.2 回轉機構設計

回轉機構安裝在主支架上，可以繞主支架上的軸轉動，起到葉片俯仰的作用。回轉機構上安裝回轉軸承，回轉軸承的內圈和回轉支架連接，外圈的齒輪和液壓馬達的小齒輪相連，通過液壓馬達的動力實現葉片的變槳，從而實現葉片的翻身效果?；剞D機構主要包含4部分結構：回轉支架、回轉軸承、液壓馬達、小齒輪。

2.3 葉片固定機構設計

葉片固定機構安裝在回轉機構的回轉軸承外圈上，通過特制的葉片螺栓和葉片相連，在1/3的葉片螺栓上布置特制的螺栓旋轉拉緊油缸，可以將特制的葉片螺栓旋進葉片的根部螺栓孔，待所有葉片螺栓均旋入葉片螺栓孔之后，通過拉緊油缸將葉片和連接法蘭拉緊固定。所有螺栓地旋入和旋出均可同步操作，可以實現葉片的快速拉緊和卸載。

葉片連接法蘭設計為葉片通用型，可以同時適配多種葉型的裝夾。葉片固定機構主要包含5部分結構：葉片連接法蘭、螺栓旋轉拉緊油缸、螺栓旋緊機構、螺栓拉伸機構、葉片螺栓。

2.4 液壓泵站

液壓泵站是整個系統動力的來源，給液壓馬達、液壓油缸提供動力，液壓系統設計有冗余安全系統，以確保葉片的安全。

液壓泵站主要包含6部分結構：油箱、電機、液壓泵、閥組、過濾器、蓄能器。

2.5 液壓缸承載分析

經受力分析，在0°位置時，液壓缸所承受的力最大，液壓臂需承載3.4×105 N；所選液壓缸額定載荷43 MPa，經計算可以輸出力為8.6×105 N，滿足測試翻轉需求，安全系數為2.6。

3 葉片變槳俯仰后處理設備力學分析

有限單元法是在當今科學技術發展和工程分析中獲得最廣泛應用的數值方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術界的高度重視。伴隨著計算機科學和技術的快速發展，現已成為計算機輔助工程和數值仿真的重要組成部分［3］。

3.1 模型說明

底座所選用的鋼材材質為Q345B，翻轉軸承選用42CrMo4合金鋼，標準為GB 50017—2017（MIDAS軟件自帶材料庫），規格型號如表1所示。

材料屬性參數如表 2 所示（MIDAS軟件自帶材料庫）。

3.2 模型簡化

鋼架模型簡化為梁、板及實體單元模型，梁單元長度為200 mm，板單元及實體單元長度為100 mm。

3.3 葉片變槳俯仰后處理設備承載力學分析

3.3.1 載荷和約束

（1）載荷。在葉片變槳俯仰過程中，主要的受力有自身重力以及葉片質量。自身重力：重力加速度按 9.8 m/s2計算。葉片質量：葉片質量約為30 t，重心位置在L28m處。

（2）約束。約束加在底座上，底座6個自由度受到約束。

3.3.2 0°位置計算結果

在 0°時，經計算測試臺所承受的力矩為8.4×109 N·mm，測試臺的最大變形量、等效應力如圖1-2所示。

3.3.3 30°計算結果

在 30°時，經計算測試臺所承受的力矩為7.3×109 N·mm，測試臺的最大變形量、等效應力如圖3與圖4所示。

4 分析結論

根據分析，各個位置的變形、應力情況如表3所示。

由表3可得：

（1）在工作過程中，最大的變形及應力出現在0°位置，最大應力為 67 MPa，安全系數為5.0，滿足不低于1.5的設計要求，測試臺的強度滿足要求。

（2）經受力分析，在0°位置時，液壓缸所承受的力最大，液壓臂需承載3.4×105 N；所選液壓缸額定載荷43 MPa，經計算可以輸出8.6×105 N，滿足測試翻轉需求，安全系數為2.6，液壓缸額定載荷滿足要求。

參考文獻

［1］豐飛，嚴思杰，丁漢.大型風電葉片多機器人協同磨拋系統的設計與研究［J］.機器人技術與應用，2018（5）：16-24.

［2］馬瑞，王曉明，承勇.一種自動化葉片后處理智能設備：CN115672609A［P］.2023-02-03.

［3］顧岳飛.大兆瓦風電機組塔架的有限元分析與優化設計［D］.上海：上海交通大學，2012.

（編輯 何琳）