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论文相关方法-复合材料风机叶片分层失效影响分析

2021-07-01 11:03:39
作者:杭州千明

论文写作模式-复合材料风机叶片分层失效影响分析

  本文主要对风力机叶片的分层失效进行研究,通过建模的方式研究不同的材料对风力机叶片分层失效的影响,利用建模仿真得出的结果对失效试验进行设计,并对实验结果加以分析。

  本文的研究对象选取风力机常用风力机叶片;主要研究内容有:根据多种的气动设计理论,选取叶片建模所需的气动参数,在利用profile导出所需要的叶片翼型参数,然后再利用SolidWorks对风力机叶片进行模型的建立。之后,再利用ANSYS,根据实验需求选择玻璃纤维和碳纤维两种材料,对风力机叶片材料的密度以及材料性质进行设置,最后对不同材料的风力机叶片的实验数据进行对比分析。

  本文选用NACA2414为仿真叶片的翼型,通过建模仿真分析和对数据进行处理,可以对大型风力机叶片在材料上的选取提供参考。

  能源一直是世界经济发展的根本,世界各国都对其极其关注。地球上的化石燃料资源是极其有限的,且能供人类使用的更是少之又少,经过几十甚至近百年的不断消耗,其剩余储量已不能完全支撑世界快速发展,新型能源的开发利用为这一难题的解决提供了可能。

  风能是一种可再生的绿色能源,对环境的污染为零。利用风能发电可以“有计划地”减少二氧化碳和其他空气污染源的排放。经过分析,每台单机容量的1兆瓦风力发电机的平均值每年可节省2,000吨二氧化碳,10吨二氧化硫和6吨二氧化氮。在1887-1888年冬季,第一台被认为具有启动功能并用于发电的风力发电机安装在俄亥俄州。1930年,开发,设计了第一台通讯和交流风力发电机。1959年和1957年,为西班牙南部的Gedser湾的SWAS电源公司独立开发了200KW的Gedser风力发电机。1980年代后,制造商才刚刚开始设计具有独特设计理念的风力发电机。为了提高风力发电的经济效益,提高风力发电的市场竞争力,风速柴油发电机组的技术性一直沿用扩大单机版量,减轻发电机组KW净重的发展趋势。企业,提高高效率。在20世纪末,在大功率风力机问世之前,数十种KW,600KW和750KW风力发电机已在市场上流行。到2003年左右,流行的型号已经达到15,000千瓦以上。1995年,10,000千瓦级的发电机组占世界风电装机增长总量的9.7%,2001年为52.3%,2004年为71.4%。今天,欧洲已安装了36,000千瓦的发电机组。欧洲,还安装并运行了42,000千瓦,45,000千瓦和50,000千瓦的发电机组。风力发电的成本也从1980年代初的每千瓦时38便士下降到2004年初的每千瓦时4便士。据估计,到2012年,全球风力发电的平均成本将降低到每千瓦时2.6便士。

  1.2风力机叶片存在的主要问题

  叶片是风力机的关键部件,由于风力机叶片运行环境恶劣,常年裸露在外,受力复杂,不均匀流,阵风等都作用于叶片上,叶片损坏、失效事故常有发生。

  风力机叶片额定设计寿命一般不少于20年,在其运行寿命期间内,随着运行年限的增长,叶片失效的概率会慢慢增大,近几年叶片失效事故也在各风电场时有发生,因此叶片失效问题受到了全行业越来越多的关注。

  叶片失效的形式多种多样,常见的失效形式有:(1)前、后缘开裂;(2)叶尖开裂;(3)叶片折断;(4)蒙皮分层、开裂;(5)抗剪腹板粘接胶开裂;(6)雷击破坏;(7)涂层破坏;(8)局部表面磨蚀;(9)局部表面裂纹;(10)运输和吊装造成叶片损伤等,失效的叶片常伴随褶皱、固化不良、布层不平等缺陷,本文所述的东北地区及华北地区两处风场的失效叶片均出现了叶片表面蒙皮开裂,弦向褶皱、小腹板端部开裂等现象。

  风力机运行环境复杂,受湍流风,剪切风并且还有上风力机尾流影响,叶片承受载荷大,且载荷具有交变性、随机性,风蚀,暴晒,雷电等侵蚀都对叶片的使用寿命造成威胁。随着操作时间的增加,叶片随时随地都有一些意想不到的问题。随时危害风力发电机的运行安全和风电场的经济利益。叶片最终失效由很多因素造成,可能单个因素也可能是某几个因素的叠加,大致分为两类:外在不可控和人为可控因素。

  风力机长期裸露在外,除风沙、水汽、暴雨、冰雹磨损外最重要的自然因素就是雷电,风力机大多安装在野外平摊辽阔地带和山顶,这就使风力机遭受雷击的概率大幅增加:

  由于叶片表面侵蚀,涂层形成很多小孔,水分通过小孔积存在叶片表面,甚至进入叶片腔体内,当雷电通过叶片接闪器时产生瞬间的高温,造成孔内水汽爆炸,形成叶尖炸裂;雷电击中风力机叶片尖端后,雷电释放出大量能量使叶片内部结构温度急剧上升,叶片内部的气体受热急速膨胀,叶片内部压力升高,从而导致叶片尖端开裂;

  除不可避免的因素之外,还有一些外在可控因素的影响:

  (1)叶片材料的不合格,一些生产厂家为降低叶片成本,追求更高利润使用不合格的树脂或者纤维,风力机开始运行后,叶片很容易出现局部缺陷;

  (2)生产过程质量监控不到位,后期检测不到位,无法保证叶片质量。

  (3)从当前风电场对风力机的管理运行来看,部分风电场对叶片的预防维护并不重视,巡检过程监管不严,叶片运行状态监测设备空缺;预防维护、监测设备方面投入的人力物力财力不够,在日积月累的运行中,导致一些细小产品缺陷隐患因没能及时发现,最终结果是造成不可逆的叶片失效事故,给风电场的运行带来安全隐患、造成巨大的经济损失。

  1.3本文研究内容

  根据上述内容本文实验内容确立为《复合材料风机叶片分层失效影响分析》。风机叶片的分层失效直接影响风机使用寿命,而我们则通过研究叶片材分层失效的原因,来归纳总结出尽量可行的方法来规避、减小分层失效所带来的影响。这次研究课题,我们将对比分析同种翼型、同工况、两种不同材料的风机叶片的分层失效程度,从而分析不同材料时分层失效的影响,并对其进行归纳总结和分析,提出可以提高复合材料风机叶片性能的建议。

  第一章风机叶片材料和结构设计

  风能是一种可再生资源,用于替代不可再生能源。具有清洁,量多,分布广泛的特点。它越来越受到世界各地的关注。2013年,全球风能储备达到282GW,比上一年增加了44GW。中国的风电发展具有广阔的前景和快速的发展趋势。截至2013年,中国的风能储备已居世界第一,占世界的26.8%。在这个阶段,风力发电已经成为国家可再生资源发展趋势的关键。一些专家学者预测和分析,未来十五年,中国仍将是风电发展趋势最快的地区。

  风力发电机最重要的部分是风力发电机的叶片。它的使用期限决定了风力发电机的高效率,可靠性和可接受性。叶片在各种复杂的地理环境法规下工作,包括叶片的定向弯曲载荷,经济区的弯曲载荷以及附加载荷,惯性矩以及由加速和变形引起的载荷。倾斜。叶片的弯曲载荷和较大的安全通道的弯曲载荷将导致原材料的驱动和地面应力的降低,此外,它们还将继续增加原材料的疲劳损伤。除了路面的地面应力标准外,风力发电机的叶片还承担着循环系统的负荷,这是由风向角,湍流,总流量调节和气体工作压力变化引起的。这种类型的复合负载规格的风力发电机叶片对原材料和叶片的结构非常严格。因此,迫切需要对风力发电机叶片的原材料和结构进行进一步的研究,引起了世界各地专家学者的关注。本文的首要任务是从叶片失效系统的角度指定风力发电机叶片的原材料选择和总体方案设计,以获得更加标准化的叶片。

  1.1叶片材料

  复合加载条件下的风力机叶片对于材料的选择是非常严谨的,高性能的叶片材料应该满足以下几个条件:

  (1)低密度。

  使用低密度材料可以减轻风塔的负载,同时可以减少风力机叶片所受到的自身重力的影响;

  (2)高强度。

  高强度的材料可以承受恶劣环境下的强风,以及叶片材料本身所产生的重力荷载;

  (3)高耐疲劳性。

  风力机叶片承受循环系统的压力,很容易引起疲劳失效。采用高抗疲劳原材料制作风力发电机叶片,以提高风力机叶片的使用寿命;

  (4)高弯曲刚度

  原材料的高弯曲刚度可以确保风机在运行期间能够保持最佳外观和最佳流体动力学趋势,并确保叶片与塔身之间的最佳间隙

  (5)可靠性高。

  风机叶片的多样工作公环境使得考虑环境因素的危害变得越来越不可或缺。高可靠性的原材料可以应对由环境因素引起的危害,例如雷击,环境湿度和温度。

  (6)成本低。

  较低的产品成本和较低的维护成本可以使原材料更具生产力,这也是叶片原材料进入销售市场的必要条件。因此,用于生产风力发电机叶片的原材料应具有质量高,价格低,易于生产加工的特点。

  随着叶片长度的不断提高,由碳纤维,玻璃纤维,铝合金型材和其他改良的聚合物材料制成的叶片才刚刚开始出现。其中,由于玻璃钢重量轻,强度高,价格低等有益因素,玻璃钢叶片已逐渐成为大,中型风机叶片的最佳选择。

  在此阶段,商用风机叶片的所有原材料基本上都由化学纤维增强聚合物(FRP)制成,该化学纤维由聚合物网格和连续的纤维组成。FRP只是纤维增强聚合物之一。化学纤维可确保其垂直弯曲刚度和抗压强度,而聚合物基体则负责改善冲击韧性,拉伸强度,外表面抗压强度和抗弯刚度。聚合物材料的弯曲刚度在于纤维的弯曲刚度和体积含量。在大多数情况下,高阻抗硼铝硅酸盐夹层玻璃(E-Glass)化学纤维被用作聚合物材料的改良成分。随着对化学纤维的不断科学研究,作为扇叶聚合物材料的组成部分,有许多玻璃纤维比硼铝硅酸盐玻璃纤维更坚固。这些高强度化学纤维(在现阶段仍很少用于商业服务)包括具有改性材料成分的玻璃纤维(S层压玻璃,R层压玻璃,Wind-StrandTM等),复合材料和玄武岩纤维和芳纶纤维。掺混增强化学纤维(电子层压玻璃/复合材料,电子层压玻璃/芳纶纤维等)也引起了广泛关注。

  由于风力发电机的净重低,高聚合物已成为叶片基体的首选原料。通常,将热固性塑料(环氧树脂,聚酯,甲基丙烯酸酯)用作风速排水叶片基质的基质聚合物材料。热固性塑料原料的优点是室温或低温下的干固性和高粘度(预浸料和粘合力更强)。热固性塑料原料是热固性塑料的替代原料。热固性塑料聚合物原料的优势取决于它们的回收利用,可重新部署和自动控制的制造和生产过程以及原料的无限储存期。热固性塑料原料的缺点是高温加工会导致大量能源消耗,并会继续损害合成纤维的特性。另外,低粘度还防止热固性塑料原料变得越来越薄。钣金的原材料正在向低温和快速干燥发展。由于低温下的快速干燥可以减少制造和生产过程的时间,并增强自动化技术的技术实力,因此有时会继续添加诸如二氧化硅的触变剂,以在整个过程中控制树脂的粘度。。

  在一些科学研究中提到:在基体材料中添加少量(0.5wt%)的纳米技术以改善原材料(碳纳米管或纳米技术粘土)可以改善材料的疲劳极限,剪切强度和抗压强度30%到80%。

  对于中小型低成本风力机,木材可以用作风力发电叶片的原材料。木材具有较高的抗疲劳性和相对较好的强度重量比,这可用于中小型风力机。此外,涂上特殊涂料还可以保护木质风力机因为湿气而产生的失效影响,木质叶片可作为发展中国家的首先材料。

  1.2结构分析

  结构分析主要包括实验法和计算法。

  实验方法是根据测试收集所需的数据。通常,叶片的固定端由支撑点支撑或不受约束,释放激励的数据信号,并根据对输入和输出数据信号的主要参数的准确测量,分析相对数据信号,然后得出叶片结构的动态技术参数。结构健康监测(SHM,Structuralhealthmonitoring)是一个使用控制器来获取连续且即时的结构反馈的组织,并且是针对智能材料和建筑技术进行创新教育的专业团队。SHM应用于风力发电机叶片的主要优点是它们可以监视和操纵叶片,并另外收集叶片不同部分的现场应力数据信息,以进行设计方案和计算。实验方法的结果是可靠的,但是检测所需的时间和劳力很高。

  通过数值计算法和有限元法选择测量算法。由于叶片的外观和结构的多样性,因此难以在计算指标值的方式上达到所需的精度。应用有限元简化叶片结构和管束并建立有效的实体模型可以获得合理的结果。近年来,模态分析方法已普遍用于风力发电机构造的动态变化。该模式是机械系统的振动特性。每种模式都有特殊的谐振频率,阻尼比和模式。这种多形式的主要参数可以通过计算或实验分析获得。这种类型的计算或测试分析的整个过程称为模态分析。

  在计算方法中,最常见的是使用Ansys分析风力机叶片以优化结构。科学研究测量算法的实际操作流程是模型,测量和叶片设计计划。

  (1)模型:在Ansys软件模型中,将叶片分成几个精细的模块,然后将固定的风场引导到叶片的三维仿真中。

  (2)计算:应用叶片的圆盘理论,测量叶片的空气动力学特性,以获得疲劳测量中经常需要的可预测的规则载荷。使用Ansys分布函数描述风压分布情况,测量各种风速在叶片上的气动和机械设备的负载,获取叶片的载荷谱,分析在此载荷作用下叶片的动态应力响应,以及考虑叶片的旋转产生的驱动力的加强会损害叶片的共振频率。测量叶片驱动力的响应。在Ansys中,进一步计算叶片上每个单元所承担的风压,模拟每个单元的应力和应变,并分析每个部分的支撑状态。

  (3)叶片设计方案:根据工作中每个叶片模块的风压支撑状态的模拟和仿真,风压大(应力和应变)较大的区域由抗压强度高的原材料制成,有效模具是根据结构力学结构的基本原理使用的。

  1.3叶片失效机制

  (1)叶尖开裂

  由于沙子和灰尘抽磨,叶尖实体部分磨损现象十分明显。当叶片尖端的外固定装置损坏到极限时,内固定装置头是承载梁的顶部,并且是总内部粘结面积最小的区域,所以叶片遇风产生自振,在失速状态下也难逃一劫。

  (2)叶片横向裂纹

  当所有发电机正常运转时,会引起叶片的瞬时振动,这是不规则且不可预测的,即叶片在旋转平面中的振动。这种长期振动会导致叶片的边缘结构失效,从而导致裂纹。在叶片的弦长较大的位置,会引起横向裂纹,严重破坏叶片结构的安全系数。

  (3)迎风角面受损

  由于厚度较大,离心风机叶片的风角是损坏的最严重部分。它承受着大面积的沙粒通过,它是叶片磨损最快的一部分。由于叶片生烟,胶衣层掉下来,沙眼凹陷,因为洞孔的沙眼,叶片部分进水水,摇晃和裂开都在此部分发生。。当风机运转时,叶片的噪音,啸叫和速比的降低都是由在迎风角处的沙眼摩擦引起的。层间分裂是指从??聚合物原料中间分离的方法。边缘粘合区域中的间隙,粘合失败,泄漏和部分渗透将导致聚合物原料分层。横向裂纹是聚合物材料纵向化学纤维的断裂。一些表面裂纹的发展没有明显的规律性,并且所有的叶片都出现了,并且迎风表面上的分布相对集中了。叶片的胶衣涂层的耐寒性差,控制模块的更换承载力和自振使胶衣涂层疲劳,暴风雨的冲击会导致胶衣涂层破裂。叶片表面的原始裂纹非常罕见,并且随着工作时间的增加,裂纹开始慢慢出现。不同部位的裂缝显示出不同的发展趋势,其中一些是缓慢的发展趋势,另一些是快速的发展趋势。随着风力机的自然振动和停止,将会有越来越多的裂缝。随着空气中微粒化学物质和小石头的侵入,叶子的缝隙加剧并膨胀,从而导致叶片开裂。因此,关于离心式风机叶片的结构有两个关键规定:首先,叶片应具有足够的弯曲强度以承受极端的静态和动态的应力标准。第二点是翼面具有足够的抗弯刚度,以确保叶片顶端和涡轮塔能够正常工作。两者之间的间隙最小。

  第二章风力机叶片失效分析

  2.1叶片失效形式

  风力机叶片额度设计寿命一般不少于20年,在其运行寿命期间内,随着运行年限的增长,叶片失效的概率会慢慢增大,近几年叶片失效事故也在各风电场时有发生,因此叶片失效问题受到了全行业越来越多的关注。

  叶片失效形式多样,常见的失效形式有:

  (1)前、后缘开裂;(2)叶尖开裂;(3)叶片折断;(4)蒙皮分层、开裂;(5)抗剪腹板粘接胶开裂;(6)雷击破坏;(7)涂层破坏;(8)局部表面磨蚀;(9)局部表面裂纹;(10)运输和吊装造成叶片损伤等,失效的叶片常伴随褶皱、固化不良、布层不平等缺陷,本文所述的东北地区及华北地区两处风场的失效叶片均出现了叶片表面蒙皮开裂,弦向褶皱、小腹板端部开裂等现象。

  2.2避免叶片损坏失效的措施及建议

  (1)风电场可行性研究汇报环节,在风电场的建设规划期,需深层搜集当地气象、地质等材料,做好机组选型、风场机组排布及叶片与机组的匹配性工作,防止机组在正常运行条件下,叶片因无法承受超设计载荷(极限载荷、疲劳载荷等)的作用而发生断裂破坏现象。

  (2)在用于叶片生产和加工的原料方面,对于相同的基体树脂,用玻璃纤维改良的聚合物材料生产和加工的叶片的拉伸强度和弯曲应变特性不如碳纤维复合材料。但是,由于价格因素,玻璃纤维是当前叶片生产和加工的最重要原料。随着叶片长度的不断提高,叶片提高原材料的拉伸强度和弯曲刚度的特性也明确指出了新的界限。玻璃纤维在大,中型聚合物材料叶片的生产和加工中逐渐表现出特性的不足。确保叶片可以正常运行,风力发电机的叶片可以由玻璃纤维/碳纤维混合材料制成,尤其是在对原材料的抗拉强度和弯曲应变有较高要求的区域。这样,不仅可以提高叶片的承载能力,而且由于复合材料具有导电性,因此还可以有效避免雷击对叶片造成的损害。(3)叶片制造工艺复杂、铺层等制作过程参与工作人员较多、如对主梁帽铺设、芯材高度过渡差以及芯材防滑移固定等都有着严格的要求,因而要加强工人在玻纤布铺设操作等关键生产工序方面的培训。同时,工厂质量检查、监督,生产工艺过程控制、后续工序检测、检验要严格落实到位,避免叶片生产制造环节的褶皱等缺陷不能及时发现、解决就进入市场流通环节。

  (4)加强风电场运行机组叶片的巡视、检测,对砂眼、叶片表面胶衣脱落、叶片开裂等早期缺陷及时维修,对雷区风电场,要注意对避雷系统的检测修护,及早发现问题并解决,防患于未然;

  (5)进一步改进现场叶片巡检方法,目前叶片现场巡检多是通过高倍望远镜以及高空吊篮对叶片表面拍照、目视检查以及敲击异音检查等手段检查叶片表面,查找叶片外观缺陷,而叶片内部特别是叶尖段,因排查人员无法进入,无法及时检查发现内部、叶尖段缺陷。对此,可用无人机巡检或者利用机器人携带高清摄像头对风力机叶片内部进行拍照录像,主要检查:芯材区域与表层玻璃钢是否有剥离;叶片避雷导线是否有缺失或折断;内部粘结部位是否开裂;叶片腹板是否有扭曲;内部是否有分层等缺陷;叶片内部是否有异物等。

  (6)优化后台监测系统,在本文所分析的案例中,风力机在非正常情况下多次启动,在叶片严重失效的情况下,监控系统却没有报警。因此,优化后台叶片监测系统可以使一些细小产品缺陷隐患能及早被发现,避免缺陷扩大造成不可逆的失效事故,给运行风场带来安全隐患、造成经济损失,叶片监测系统对于叶片安全可靠运行来讲意义重大。

  叶片是风力机的关键部件,其科学的设计、高质量的制造、高效及严格的检测都对风电机组安全可靠运行起着至关重要的作用。本文首先介绍了叶片制造过程中的质量控制过程,每一步精细过程检测都是保证叶片安全可靠性的关键,第二部分首先介绍了叶片常见的失效形式,进而由两个风场真实风力机叶片失效的案例详细分析了案例中叶片的失效过程、失效原因,在这些前提条件之下,我们对风力机叶片失效故障的原因进行了深入了解和分析。其中,叶片质量问题是影响刀片故障的主要因素。最后针对叶片故障问题,针对性地提出了可行的建议和措施,为叶片的损坏和失效提供了参考经验。叶片失效有多种原因和形式。诸如机器人之类的技术可以全面识别叶片的状态,及时发现小缺陷并及时修复缺陷。同时,在以后的运行和维护中,我们下一步要做的是实时跟踪世界领先的风力机实时状态监测技术,以提高监测的及时性和可靠性。此外,大多数叶片故障都是从细小的缺陷开始的,例如裂缝,褶皱,凹坑等。我们应该对故障的预测进行更深入的研究,而将研究重点更多地放在预测,防微杜渐。从源解决叶片故障的问题。

  第三章风力机叶片的建模

  3.1软件介绍

  (1)Profili软件

  Profili是用于飞机机翼流体动力学的分析和绘图软件。该软件的关键作用是进行飞机机翼的设计和分析。该软件嵌入了2200多个具有空气动力特性的机翼特征。这样,机翼设计计划人员可以根据该软件立即比较并选择机翼的翼型,从而可以节省大量的选择、分析时间。此外,在风力发电机的叶片设计中,您还可以使用该软件对设计所需的叶片进行比较搜索,还可以在特殊条件下计算雷诺数并画出极线根据特殊情况。或者可以在水平和垂直方向上比较不同的机翼,还可以开始压力系数的动态生成,以便在视觉上更好地区分特定机翼在不同迎角下的支撑状态。

  图为profili使用界面

  此次研究通过该软件选取叶片翼型,通过Profili导出所需要的翼型二维坐标数据,来进行接下来的模拟实验。

  (2)SolidWorks软件

  SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows设计和开发的3D CAD系统软件。Solidworks软件具有完整的功能和各种组件。SolidWorks是Dassault Systemes旗下的分支公司。它专门从事机械结构设计软件窗口产品的产品开发和市场销售。总部位于英国密苏里州。达索系统负责提供目标软件,并向制造商提供具有Internet集成功能的辅助服务。该集团公司提供涵盖整个产品生命周期的系统软件,包括各个行业中最好的系统软件,例如设计解决方案,工程项目,制造和商品数据库管理。达索的CAD产品市场份额是全球最高的。

  Solidworks具有功能齐全,易于理解和实用以及技术创新的三大特征。SolidWorks可以显示不同的方案设计,减少设计过程中的错误并提高产品质量。SolidWorks不仅显示出如此强大的效果,而且对于每个技术工程师和设计师而言,实际操作都简单便捷,易于理解和实用。

  在此次研究中主要是运用SolidWorks来进行风机叶片的建模,将从Profili中得到翼型信息导入到SolidWorks当中,之后再进行处理就能得到我们所需要翼型的风力机叶片的片段。

  3.2风力机叶片建模

  (1)叶片选取

  由于本次实验重心在于研究复合材料风力机叶片分层失效的影响,为了更加直观的表现材料所产生的影响,在设计叶片时尽可能的减少其他变量的影响,选用空气动力学性能较好的叶片翼型。根据已选择的风力机参数,风力机轮毂高度约为90m,风速选择额定功率下的风速10m/s,弦长取默认值30cm,计算得到雷诺数Re=203771。

  带入该雷诺数绘制极线,在几种翼型中进行比较,通过对比升阻比以及扭矩系数最终得出实验翼型选用NACA2414较为合适。

  图为形同雷诺数不同翼型之间的对比

  通过图表进行观察和对比,最终本次实验选用了NACA2414作为本次实验的翼型,可直接通过Profili将翼型参数导出。

  通过输出TXT文件,可以得到叶片翼型的二维坐标数据如表:

  翼型名字:NACA 2414

  上面的X上面的Y下面的X下面的Y

  0.00000 0.00000 0.00000 0.00000

  0.16900 1.08500 0.37900-1.03100

  0.89200 2.17100 1.29300-1.95600

  2.16500 3.24500 2.73000-2.77000

  3.97700 4.28900 4.66900-3.47100

  6.31000 5.28100 7.08700-4.05400

  9.14100 6.19800 9.95700-4.51600

  12.44000 7.01400 13.24600-4.85800

  16.16900 7.70700 16.91800-5.08200

  20.28500 8.25500 20.93700-5.19500

  24.74000 8.64500 25.26000-5.20800

  29.48200 8.86600 29.84400-5.13300

  34.45400 8.91300 34.64400-4.98700

  39.59800 8.78700 39.61100-4.78700

  44.80800 8.51200 44.73900-4.53700

  50.06900 8.12000 49.93100-4.23200

  55.32400 7.62900 55.12900-3.88600

  60.51500 7.05300 60.27600-3.51600

  65.58600 6.41200 65.31600-3.13200

  70.48000 5.72300 70.19400-2.74500

  75.14300 5.00400 74.85700-2.36500

  79.52700 4.27400 79.25200-1.99800

  83.58200 3.55200 83.33100-1.65000

  87.26700 2.85700 87.04800-1.32800

  90.54200 2.20700 90.36000-1.03500

  93.37200 1.62000 93.23000-0.77600

  95.72900 1.11200 95.62600-0.55700

  97.58700 0.70000 97.51800-0.38100

  98.92900 0.39600 98.88600-0.25200

  99.73900 0.21000 99.71300-0.17300

  100.00000 0.14700 100.00000-0.14700

  (2)风力机叶片绘制

  为了在实验中排除其他因素的影响,为了突出变量所产生的影响,因此在风力机的绘制方面选择直接绘制风力机叶片节段,突出材料所产生的影响。所以在利用SolidWorks绘制风力机叶片时,可直接对叶片参数进行整合之后,将数据代入SolidWorks进行拉伸,便可以得到所需的叶片节段,如图:

  由此可以得到叶片模型并将模型保存。

  本章主要描述风力机叶片的建模过程,在下一章中将用ANSYS进行模态分析和静力学分析,分析同翼型、同工况、两种不同材料的风机叶片的分层失效。

  第四章运用ANSYS软件对风机叶片进行静力学分析

  4.1ANSYS软件介绍

  ANSYS软件是一种大中型通用有限元软件,也是现阶段在全球范围内越来越快的辅助设计工程软件。该软件集成了组织,电磁场,流体力学,静电场和声场的分析。并可以与大多数辅助设计图软件完成信息共享。由于其功能完备和操作简单,它已成为世界上最流行的有限元手机软件,并已用于化学,电能,机械设备制造,医药,轻工,地质,日用品,家庭电器,军事等行业。它也已成为许多理工科学校的标准学习软件。

  作为现阶段最常用的有限元软件,ANSYS软件在分析和计算层面具有强大而通用的分析方法。关键包括结构设计,流体动力分析,静力分析等。模拟各种物理介质的相互作用。在本文的仿真分析中,我们将在其中使用静态分析。在创建实体模型之后,根据上一章中已建立的三维建模。通过使用ANSYS解决方案控制模块,可以使用分析控制模块及其后处理过程控制模块中的三个控制模块来求解控制模块。

  其中在前处理模块内主要工作有建立几何模型、选择材料属性、划分结点以及单元,对实体建模并进行网格的划分,最终创建有限元模型。

  接下来将会分节对利用ANSYS进行建模、分析以及最后的导出做描述。

  4.2运用ANSYS进行建模

  4.2.1叶片模型导入

  在上一章中,我们运用Profili和SolidWorks两种软件成功绘制了叶片模型,并将其保存为Parasolid形式的扩张名为.xt的文件。现在我们将上一章绘制完成的叶片模型导入ANSYS软件中。其主要步骤为:将Parasolid实体模型导入到ANSYS当中进行有限元分析,导入模型的操作步骤主要为:Untility Menu—file—Import—IGES。

  4.2.2复合材料的选择与设置

  风力机叶片材料的使用同常规的金属材料不同,风力机叶片通常是采用玻璃纤维、碳纤维等复合材料,同时材料属性的选择是有限元分析当中的一项重要参数,同时不同材料的选取也是本文的核心内容。在本文中,我们将会选择玻璃纤维与碳纤维两种材料进行设置。

  而在设置过程中,还需要对所使用的材料进行定义,因此这就需要我们在ANSYS系统当中添加显得材料,可以利用Material Props命令来定义材料的特性而在这其中:

  1.玻璃纤维材料性能参数:密度ρ=2.5g/m3,弹性模量,泊松比μ=0.25。

  2.碳纤维的材料性能参数:密度ρ=1.75g/m3,弹性模量,泊松比μ=0.307。

  4.2.3划分网格

  在ANSYS的实际操作当中,划分网格的步骤主要有:Workbench—Mesh—Geometry—Import Geometry—Browse,将模型导入后,点击Mesh,选择Physics Preference为Mechanical,再选择Sizing—Relevance Center—Fine—Update,便可以得到划分网格后的模型,因为选取的是风力机叶片的节段,经过划分后,得到849个节点,120个单元。网格划分之后结果如图

  图为划分网格后的叶片模型

  4.2.4设置载荷和约束

  对载荷进行设置主要有内应力、外界施力以及约束力的设置,而这些载荷的设置主要包括:惯性载荷、集中载荷和面载荷,这些可以直接加载在模型上。而在风力机的实际运行过程当中,由于叶片的根部是固定在轮毂上的,所以从结构上来讲,叶片在运行过程当中可以简化为一个悬臂梁结构。在风力机叶片的正常生命周期当中,虽然其生命周期的大部分时间里是很少会遇到台风或飓风等会产生极线载荷的情况的也会遇到极限载荷,但在也会遇到极限载荷,所以在本文中我们选取额定风载23m/s进行计算分析。此时选取加载叶片的载荷为V=10m/s,而风力机叶片受到的均匀分布的载荷为:

  其中:ρ为空气密度,取1.293kg/m3;v为对应的极限风速。

  得到P≈64.65pa

  4.3在风压和重力综合作用下的静力学分析

  在风力机运行时,风力机叶片的主要载荷来自其自重风压,我们选择玻璃纤维和碳纤维两种材料进行数据分析,在模型的Y轴方向上添加一个大小为9.8N/kg的重力加速度,在加载重力的同时施加压力,设置固定界面。先选用玻璃纤维为材料进行分析,通过ANSYS生成得到如下图:

  图为综合静力作用的玻璃纤维叶片应力等效图

  图为综合静力作用的玻璃纤维叶片应变等效图

  之后我们换用碳纤维材料继续模拟得到下图:

  图为综合静力作用的碳纤维叶片应力等效图

  图为综合静力作用下的碳纤维叶片应变等效图

  通过对比两种材料在相同工况下的应力应变我们可以看出,在重力和风压综合作用下,模型所受到的应力位移情况并不明显。同时,碳纤维材质的模型的应变量相比较于玻璃纤维的叶片要高,这就说明了虽然玻璃纤维材料虽然在密度上会高于碳纤维,但其材料的弹性模量要高于碳纤维即玻璃纤维制作的叶片的刚度较强。

  4.4在风压和重力作用下的模态分析

  接下来我们将在风压和重力的综合作用下对叶片进行模态分析,分析两种材料的振动频率,经过设置,我们选取了前八阶的模态频率,如下图:

  以上为综合静力作用下玻璃纤维叶片的模态分析图

  以上为综合静力作用下碳纤维叶片的模态分析图

  图为玻璃纤维叶片一至八阶的模态频率

  图为碳纤维叶片一至八阶的模态频率

  通过之前两组图片我们可以看出,玻璃纤维材料叶片和碳纤维材料叶片在二阶之后皆因振动而产生形变,其中玻璃纤维材料叶片形变量要小于碳纤维材料叶片。因为振动而产生形变后,形变处两端会产生轴向位移载荷,从而促使分层失效产生,因此玻璃纤维材料叶片受到的分层失效影响更小。

  通过模态频率表格我们可以看出,玻璃纤维材料叶片的模态频率始终低于碳纤维材料叶片模态频率。在同阶中碳纤维材料叶片振动的频率小于玻璃纤维材料叶片振动的频率,说明碳纤维材料叶片的抗振能力要比玻璃纤维材料叶片的抗振能力要强。