應(yīng)用ANSYS對(duì)復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析

中國(guó)石化集團(tuán)新星陜西新源科技有限公司 周文斌

1 引言

當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電是最有價(jià)值的非常規(guī)能源。伴隨著全世界各國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組朝著大功率方向的不斷發(fā)展，風(fēng)力機(jī)葉片的長(zhǎng)度逐漸增加，當(dāng)前世界各國(guó)最大復(fù)合材料的風(fēng)力機(jī)葉片是由丹麥LM公司生產(chǎn)，其葉片的長(zhǎng)度高達(dá)61.5m，每一片重量約為18噸，由此可見風(fēng)力機(jī)葉片是構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不可缺少的部件。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的生產(chǎn)成本約占風(fēng)力發(fā)電機(jī)總廠成本的15%～20%。通過提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)葉片的使用時(shí)間，可有效降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的初始成本[1]。

葉片的設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體性能起著至關(guān)重要的作用，為了達(dá)到理想的橫截面并產(chǎn)生最大的扭矩驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，適當(dāng)?shù)娜~片設(shè)計(jì)是必要的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片大多都使用復(fù)合型材料制造，由于其材質(zhì)輕，可以顯著提高發(fā)電的強(qiáng)度和效率，因此在大型風(fēng)力機(jī)葉片中得到了大家的認(rèn)可并被廣泛應(yīng)用。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的一個(gè)重要部件，其外形要求保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有足夠的升力、氣動(dòng)力，其特定的結(jié)構(gòu)保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率由葉片的材質(zhì)、葉片的形狀和葉片的角度共同決定。在所有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，葉片的材料起到了至關(guān)重要的影響。葉片材料應(yīng)具有低密度、高剛度和長(zhǎng)疲勞壽命的特點(diǎn)。多使用復(fù)合材料用于葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。環(huán)氧樹脂材料、芳綸纖維和碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）正在取代傳統(tǒng)的部件。碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）是風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中最常用的復(fù)合材料。復(fù)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(yōu)于各自單一成分材料的性能。纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）復(fù)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(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們提高了對(duì)清潔的可再生的能源開發(fā)與利用的認(rèn)識(shí)和重視度，使用風(fēng)力帶來的發(fā)電量在總體發(fā)電量中的比例越來越大。當(dāng)前，我國(guó)風(fēng)力事業(yè)由原來的不精細(xì)化向精細(xì)化的方面發(fā)展，且越來越成熟。因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組使用的外界環(huán)境非常糟糕，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)會(huì)受到許多外界原因的干擾而遠(yuǎn)離提前設(shè)計(jì)好的工作目標(biāo)，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的風(fēng)能利用率比較差。多數(shù)的機(jī)組使用狀態(tài)與功能，是由系統(tǒng)的記錄機(jī)組工作外界環(huán)境和每個(gè)非常重要的形成配件之間的運(yùn)行數(shù)據(jù)來反饋的。這一次對(duì)風(fēng)電機(jī)組的造電功能及檢測(cè)的高斯過程回歸分析，當(dāng)發(fā)電機(jī)的性能在不正常的情況下時(shí)，更需要及時(shí)向相關(guān)人員發(fā)出警告，快速對(duì)每個(gè)部件的使用狀態(tài)實(shí)施檢測(cè)和分析，這種辦法對(duì)我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展和運(yùn)行管理具有深遠(yuǎn)的意義。

在相同風(fēng)速的情況下，受風(fēng)速與湍流、偏航誤差、葉輪變槳系統(tǒng)及葉尖速比因素影響，該機(jī)組發(fā)出的功率也會(huì)不同。具體內(nèi)容是：一是風(fēng)速與湍流因素[3]。在風(fēng)速大小不同的外界環(huán)境下，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的方式也不相同，降低了風(fēng)能利用效率，而湍流是對(duì)風(fēng)速在較短時(shí)間內(nèi)變化情況的具體反饋，這是由地形的不同和風(fēng)的大小造成的；二是偏航誤差因素。當(dāng)風(fēng)得方向產(chǎn)生很大變化時(shí)，對(duì)機(jī)艙頂部方向標(biāo)檢測(cè)，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(fēng)能，發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)使機(jī)艙與葉璇進(jìn)行對(duì)風(fēng)；三是葉輪變槳系統(tǒng)因素。該系統(tǒng)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(dāng)風(fēng)再次作用于葉片上時(shí)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，并推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)做功。葉輪捕捉風(fēng)能效率決定了風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能的高低；四是葉尖速比因素。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在最大風(fēng)能追蹤模式時(shí)，代表切入風(fēng)速到固定的風(fēng)速之間，風(fēng)速發(fā)生一定的變化后，控制系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)對(duì)該機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步的調(diào)整，以保證在風(fēng)速大小不相同的情況下，葉輪最終可以得到最大的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況下，風(fēng)電機(jī)組處于良好的使用狀態(tài)時(shí)，其發(fā)電性能與外界、自身設(shè)備等因素關(guān)系復(fù)雜，可以使用發(fā)電性能模型進(jìn)一步描述。建立模型之后就可以輸入新的運(yùn)行參數(shù)成為發(fā)電性能的新模型，監(jiān)督風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能。當(dāng)機(jī)組發(fā)電性能使用良好時(shí)，表示發(fā)電性能模型在輸入、輸出參數(shù)與其之前形成的發(fā)電性能之間的關(guān)系保持聯(lián)通。如果發(fā)現(xiàn)機(jī)組的發(fā)電功能發(fā)生變化時(shí)，代表著模型重新的輸入和輸出時(shí)形成的聯(lián)系與模型記憶的發(fā)電性能有一定距離，這種情況暗示了機(jī)組發(fā)電性能可發(fā)生不正常的異變，要加強(qiáng)改善[4]。

風(fēng)力機(jī)葉片的構(gòu)成分析結(jié)果可以成為風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，并在大功率的風(fēng)力機(jī)葉片構(gòu)成的校對(duì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中起到了決定性的作用。由于大型復(fù)合的材料風(fēng)力機(jī)葉片的外形構(gòu)成和鋪層結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜，存在大量過渡層和夾芯結(jié)構(gòu)，因此大量使用了有限元法進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片構(gòu)成的分析。如段昭對(duì)600kW風(fēng)力機(jī)葉片應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)葉片根部處應(yīng)力最大[5]。

2 材料

為風(fēng)車葉片尋找合適的材料是該項(xiàng)分析工作的關(guān)鍵目標(biāo)之一。纖維增強(qiáng)材料是葉片中常用的材料。E-Glass、E-carbon、Kevlar 纖維和碳纖維增強(qiáng)聚合物是本實(shí)驗(yàn)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(jì)算

為了方便計(jì)算，所有假設(shè)都是基于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件。平均環(huán)境溫度為36℃。使用公式（1）、公式（2）和公式（3）計(jì)算葉片的質(zhì)量，使用公式（4）～（6）計(jì)算葉片上的受力和壓力。

葉片半徑，r=410mm；

風(fēng)速，v=6m/s；

空氣密度，ρ=1.23kg/m3；

力量系數(shù)，Cp=0.4；

使用掃掠區(qū)域的半徑作為公式中葉片長(zhǎng)度的值，即：

4 使用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析

采用進(jìn)口風(fēng)車型風(fēng)力機(jī)葉片，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行葉片構(gòu)成的靜力學(xué)分析，進(jìn)而研究葉片結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)。使用最大和最小應(yīng)變要求，以確保沒有模型元素超過材料的設(shè)計(jì)應(yīng)變。對(duì)環(huán)氧玻璃、碳纖維、芳綸、碳纖維增強(qiáng)的聚合物材料進(jìn)行了計(jì)算分析。

4.1 網(wǎng)格劃分

一旦數(shù)據(jù)輸入完成，網(wǎng)格劃分過程就正式開始了。網(wǎng)格劃分是工程模擬程序中的一個(gè)至關(guān)重要步驟，涉及將復(fù)雜的幾何圖形分解成簡(jiǎn)單的單元，這些單元可以在整個(gè)區(qū)域能作為獨(dú)立的部件。通過圖1所示的框線可觀察網(wǎng)格劃分。

圖1 E-玻璃纖維網(wǎng)格屬性

ANSYS的網(wǎng)格劃分能力，有助于減少獲得準(zhǔn)確結(jié)果所需要的時(shí)間和精力。由于網(wǎng)格劃分占用了獲得仿真模擬結(jié)果所需要的大部分時(shí)間，所以ANSYS幫助開發(fā)了更強(qiáng)大、更自動(dòng)化的網(wǎng)格劃分方法。風(fēng)車的節(jié)點(diǎn)和元素?cái)?shù)量如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)和元素?cái)?shù)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(yīng)力；三是最大剪切應(yīng)力；四是應(yīng)變能。

ANSYS查找和獲得的讀數(shù)顯示在界面下方。對(duì)于所考慮的材料，找到了最大和最小參數(shù)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(diǎn)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(dāng)需要高電阻率和高強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)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(fā)生變化。由于受力范圍、材料和施加的力的不同，物體將會(huì)發(fā)生各種類型的形變。使用簡(jiǎn)單的單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果、米塞斯應(yīng)力計(jì)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(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的總變形量和應(yīng)變能。

圖2 總形變量（E-玻璃）

圖3 應(yīng)變能（E-玻璃）

分析結(jié)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(jié)構(gòu)分析中，等效米塞斯（Von-Mises）應(yīng)力最大值為1.5131×109Pa，最小值為1324.7Pa。最大剪應(yīng)力為8.7139×108Pa，最小剪應(yīng)力為756.84Pa。最大應(yīng)變能為0.087977J，最小應(yīng)變能為1.7694×10-8J。

4.3 芳綸纖維

自20世紀(jì)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(qiáng)度高、比強(qiáng)度好（剛度/重量）、振動(dòng)水平低等特點(diǎn)，在復(fù)合材料部件中其被廣泛用于編織物。

應(yīng)變能在物理學(xué)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(shì)能。線彈性材料的應(yīng)變能是：當(dāng)組成分子的原子在化學(xué)反應(yīng)中能夠重新排列時(shí)，應(yīng)變能將會(huì)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(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的總形變和應(yīng)變能結(jié)果。

圖4 總形變量（芳綸纖維）

圖5 應(yīng)變能（芳綸纖維）

分析結(jié)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(xué)結(jié)構(gòu)分析下，等效米塞斯（Von-Mises）應(yīng)力最大值為10.9737×108Pa，最小值為17273Pa。最大剪切應(yīng)力值為6.7563×103Pa，最小剪切應(yīng)力值為9792.7 Pa。最大應(yīng)變能為0.073113J，最小應(yīng)變能為2.9614×10-9J。

4.4 碳纖維

環(huán)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(qiáng)度、低質(zhì)量、高耐化學(xué)性、良好的抗高溫性能和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。

為了制備復(fù)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(qiáng)型聚合物，需要對(duì)聚合物樹脂進(jìn)行烘烤處理。由于碳纖維具有很高的比強(qiáng)度和剛度，因此容易脆化。同時(shí)，碳纖維也可以與包括石墨在內(nèi)的其它材料相混合，制備高耐熱性、高強(qiáng)度的碳-碳復(fù)合材料。

圖6和圖7分別給出了碳纖維材料所制備的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的總形變量、等效米塞斯應(yīng)力和應(yīng)變能結(jié)果。

圖6 總形變量（碳纖維）

圖7 等效米塞斯應(yīng)力（碳纖維）

分析結(jié)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(jié)構(gòu)分析中，等效米塞斯（Von-Mises）應(yīng)力的最大值為9.6602×108Pa，最小值為21267Pa。最大剪切應(yīng)力值為5.576×108Pa，最小剪切應(yīng)力值為11722Pa。最大應(yīng)變能為0.05568J，最小應(yīng)變能為2.6767×10-9J。

5 結(jié)果與討論

通過使用復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的真實(shí)結(jié)構(gòu)來改進(jìn)有限元結(jié)構(gòu)模型，尤其是材料性能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為重要。利用ANSYS軟件可以對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的形變狀態(tài)和應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)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(jì)算結(jié)果，主要包括：總形變量、等效米塞斯（Von-Mises）應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和應(yīng)變能的最大值和最小值。

表3 分析對(duì)比結(jié)果-ANSYS

由圖8（a）可以看出，E-碳材料在施加載荷時(shí)的形變量最小。這說明與其他復(fù)合材料相比，E-碳材料是強(qiáng)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(yīng)力值，因其能夠承受單位面積內(nèi)的最大力。與其它復(fù)合材料相比，E-玻璃纖維具有更高的應(yīng)力值。

圖8 （a）總應(yīng)變（b）等效米塞斯應(yīng)力（c）應(yīng)變能

應(yīng)變能在物理學(xué)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(shì)能。由圖8（c）可以看出，與其他復(fù)合材料相比，碳纖維增強(qiáng)型聚合物（CFRP）材料的應(yīng)變能最大，E-碳材料的應(yīng)變能最小。

較小的形變量對(duì)風(fēng)葉片結(jié)構(gòu)有利。為確定一個(gè)合適且安全的設(shè)計(jì)，應(yīng)該避免部件發(fā)生形變。對(duì)于一個(gè)安全的結(jié)構(gòu)，變形應(yīng)該是最小的。利用ANSYS軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行了詳細(xì)分析，并重點(diǎn)研究了四種不同的復(fù)合材料性能。

靜力學(xué)分析結(jié)果表明，與其他復(fù)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(yīng)力最小，為9.6602×108Pa；與其他材料相比，E-碳材料的最小剪應(yīng)力為5.576×108Pa；在特定的條件下，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)葉片的分析結(jié)果表明，E-碳材料是一種制備銷輪式葉片的最佳材料。

6 結(jié)論

一是本研究旨在改進(jìn)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)。為了簡(jiǎn)化有限元模型的結(jié)構(gòu)和縮短設(shè)計(jì)周期，項(xiàng)目組人員編寫了一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，并將所有需要的文件都輸入到一個(gè)通用的軟件包中；二是由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜且手工制備了不同的復(fù)合材料，故需要將模型的輸出結(jié)果必須與實(shí)際的葉片進(jìn)行對(duì)比；三是靜力學(xué)分析結(jié)果表明，與其他復(fù)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(duì)特定風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的最佳材料。E-碳材料在總形變、等效米塞斯應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和應(yīng)變能方面均表現(xiàn)優(yōu)異；五是在特定的條件下，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)葉片的分析結(jié)果表明，E-碳材料是一種制備銷輪式葉片的最佳材料。