750kw风力发电机叶片建模与仿真分析解析

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1、丿闕浙M和垮超毕业论文目:750KW风力机叶片建模与模态仿真分析学院:专业:机械设计制造及其自动化班级:学号:学生姓名:导师姓名:完成日期:2014年6月20日诚信声明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计 （论文） 是在老师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果；2、据查证， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 毕业设 计（论文） 中不包含其他人已经公开发表过的研究成果， 也不包含 为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺， 本人提交的毕业设计（论文） 中的所有内容均真 实、可信。作者签名：日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书题目 750KW风力机叶片建模与模态仿真分析姓名学院专

2、业_班级学号_指导老师职称 教研室主任-、基本任务及要求：1、查阅20篇左右文献资料，撰写开题报告和文献综述。2、确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。3、应用三维建模软件建立叶片三维实体模型。4、应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。5、改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。6、按照要求撰写毕业论文和打印图纸。二、进度安排及完成时间：2014220 3.5 :课题调研（含毕业实习及撰写毕业实习报告）、查阅文献资料。201436 3.28 :撰写文献综述和开题报告。2014329 4.8 :确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。201449 4.19 :应用三维建模软件

3、建立叶片三维实体模型。2014420 4.27 :应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。2014428 5.5 :改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。2014.5.6 5.26 :撰写毕业论文、完成设计。2014.5.27 6.10 :整理毕业设计资料，毕业答辩。目录摘要 I Abstract I.I.第 1 章 绪 论 11.1 前言 11.2研究的目的和意义 11.3风力机叶片气动性能的研究现状 21.4风力机叶片结构分析的研究现状 31.5 风力机叶片模态分析研究现状 4第 2 章 叶片建模简介与建模软件 62.1 叶片建模简介 62.2 UG NX 产品简介

4、62.3 本章小结 7第3章叶片模态分析理论与ANSY软件介绍83.1 叶片模态分析理论 83.2 ANSYS 软件介绍 93.3 本章小结 10第 4 章 叶片外形设计与三维建模 114.1 风力机叶片 114.2 叶片结构 114.3风力机叶片翼型选择及设计参数 124.3.1 翼型的选择 124.3.2 叶片设计参数 134.3.2 叶片截面空间坐标的求解 154.3.3 坐标求解方法及结果 164.4 叶片实体建模 174.5 本章小结 20第 5 章 模态仿真分析 215.1 分析步骤 215.2 叶片在约束状态下的模态分析 265.2.1壳体填充模态 265.2.2 壳体模态 28

5、5.2.3 结果分析 295.3.预应力模态 305.3.1额定转速工况 305.3.2对不同转速分析 325.4 本章小结 32第 6 章 结论与展望 336.1 结论 336.2 展望 33参 考 文 献 35致谢错. 误！未定义书签750KW风力机叶片建模与模态仿真分析摘要：本文对某型750KW水平轴风力机叶片进行研究，根据已有气动理论和相关气 动软件 propid 来确定叶片的最优外形参数。运用 UG NX7.5 结合 Excel 软件来进 行叶片的三维建模。然后，利用有限元分析软件 ANSYS/Workbench 对建好的模型 进行模态仿真分析，获得叶片在静止状态和额定转速下的前 1

6、2 阶的模态振型和固 有频率，得到结论，挥舞和摆振是风力机叶片的主要振动形式，从振型图可以看 出，叶片的振动节点主要分布在叶尖三分之一处。从现实风机叶片疲劳破坏来看， 大多数叶片折断点主要在叶尖三分之一处。在预应力叶片模态分析结果中可知， 叶片从第一阶至六阶振型均表现为弯曲的振动，可见叶片的振型主要表现为挥舞 弯曲振型。在不同转速下叶片的动力刚化是叶片的转动与其弹性变形相互影响的 结果，转速增高，惯性力对刚度的影响增大，叶片固有频率的增加越多。关键词： 风力机叶片，三维建模，模态分析。23D Modeling and Modal Analysis on 750KWLarge Wind Turb

7、ine BladeAbstract:In this paper, a certain type of 750KW horizontal axis wind turbine blade research to determine the optimal shape of the blade aerodynamic parameters based on existing theories and associated pneumatic software propid. UG NX7.5 use Excel software to combine three-dimensional modeli

8、ng of the blade. Then, using the finite element analysis software ANSYS / Workbench to build the simulation model of modal analysis, accessto the previous 12-order mode shapes and natural frequencies of the blade in the stationary state and the rated speed, conclusion, waving and shimmy major wind t

9、urbine blade vibration forms can be seen from Figure modal vibration nodes mainly in the tip of the blade third. Fan blade fatigue damage from reality, the majority of the blade tip to break the main point in third place. Seen in prestressed modal analysis results leaves, leaves from the first-order

10、 vibration mode showed six bending vibration mode shapesof leaves visible mainly for waving bending modes. Power at different speeds of the blade is just the result of elastic deformation of the blade with the rotation of the interaction, the speed increases, the inertia force to increase the stiffn

11、ess, the more the increase of the natural frequency of the blade.Key words: wind turbine blades, 3D modeling, modal analysis.第 1章 绪 论1.1 前言近年来风力发电行业取得了快速发展 1，并且风力发电机正朝着大型化的方 向发展。叶片作为风力发电机上捕捉风能关键部件， 其曲面设计复杂困难。 叶片 在朝大型化发展过程中，其自重增加，展长增大，同时承载复杂载荷，主要有重 力载荷、惯性载荷和不定常变化的气动载荷， 风机运行过程中受到这些周期性载 荷，必然会产生持续的周期性振动

12、，主要有挥舞，摆振以及扭振三种振动形式。 振动问题会引起机构的疲劳损伤和破坏， 影响设备的运行稳定性， 这给大型风力 机叶片的设计提出更大挑战。本文针对大型风力机叶片设计中的这些棘手问题， 对大型风力机叶片三维模型建模和模态分析开展研究。1.2 研究的目的和意义大自然中的风能具有不稳定、 能量密度低地域分散等特点， 风力机长期处在 较为恶劣的大气环境中工作， 长期受风剪切、 表面污染腐蚀的影响， 从而引起复 杂的气动问题和流固耦合问题， 对其安全性、 可靠性提出了很高的要求。 叶片是 风力机组件中结构最为复杂的装置， 风力机的大型化对叶片设计和制造工艺的要 求也逐渐提高。风力机叶片的设计过程中

13、包括叶片的气动设计和结构设计， 气动设计主要根 据空气动力学原理设计确定叶片的几何外形、 表面光洁度等， 其目的是确保风力 机叶片得到较高的升力， 能更好的获取风能。 结构设计主要是确定叶片的内部铺 层等，确保叶片在受到离心力、 弯扭距等情况下能够不发生失稳和局部较大变形， 保证风力机安全稳定的运行 2。为了获得较好的气动性能， 多把风力机叶片设计成不对称形状， 这也加大了 风力机叶片气动分析的难度。 CFD 的数值模拟方法是目前较为常用的叶片气动 性能分析方法，这些方法已成功应用于湍流、风剪切、偏航、塔影等各种定常与 非定常的气动现象的理论研究与工程应用中。 由于风场中测风塔的数量限制， 不

14、 同位置处的剪切风速分布亦可通过 CFD软件求得。2000年NREL Phase VI盲比 实验证明了 CFD 技术已成为分析叶片气动性能强有力的研究手段，即使是在流 动具有很强三维性和深度失速的条件下 3。叶片大型化的发展趋势对其材料、 强度、 刚度、重量等方面的铺层结构设计 提出了更高的要求， 从而需要对叶片各部分的应力特征进行比较准确的分析来指 导叶片的铺层结构设计 4。风力机叶片的结构分析主要包括模态分析、应力应变 分析、疲劳寿命分析和流固耦合分析等。 常见的分析方法有实验分析和有限元分 析，实验分析由于成本、 可行性等因素只适用于尺寸较小的叶片， 现在大型的风 力机叶片更多采用有限元

15、分析的方法。我国的风力机制造行业相对国外起步较晚， 虽然目前我们在世界风电行业的 制造生产能力位于前列， 但是我们还有很多不足。 我们得核心技术没有外国企业 先进，很多技术还需要向外国企业购买， 但由于很多核心技术的保密性， 我们国 内的风力机生产制造水平与外国企业还有一点的差距， 因此，对于提高我国风力 机叶片自主研发能力，探索提高叶片的气动性能分析和结构分析准确性的方法， 具有十分重要的意义。1.3 风力机叶片气动性能的研究现状目前水平轴风力机气动分析方法主要有实验和数值计算两大类。 实验方法包 含风场测量和风洞实验，数值计算包括功率计算、动量叶素理论、涡流理论、 渐进加速势方法、 CFD

16、 方法以及混合方法等。空气动力学是目前世界科学领域 里最为活跃、 最具有发展潜力的学科之一。 世界各发达国家对空气动力学的发展 都给予了高度重视，不惜花费巨额资金建设空气动力试验设施并开展研究工作。 风力机模型进行风洞试验时，风力机风轮模型要求满足一定的相似准则：(1)几何相似，风力机的实物和风轮模型几何形状相似； (2)运动相似，风力机实物和 风轮模型的叶尖速比相同； (3)动力相似，风力机实物和风轮模型的雷诺数相同。 由此可知，如果风力机模型和实物的比例取 1：10，为了保证风力机模型和实物 的运动相似和动力相似， 要求风力机模型试验时的风轮转速是实物运行的风轮转 速的 100 倍，也要求

17、模型试验时的风速是实物运行风速的 10 倍。大中型风力机 的模型与实物的比例大， 对风力机模型的转速和来流风速都有很高的要求， 这时 不仅要考虑空气压缩性的影响，对风轮模型的设计也带来很大的困难。随着计算机技术的飞速发展， 数值模拟软件的计算水平也在快速的提高。 先 进的商用 CFD 数值模拟软件通过在旋转坐标系下对三维的 N-S 控制方程进行求 解，通过添加湍流模型来解决粘性问题， 为风力机气动性能的研究提供了精确的 气动参数。 Agarwal 和 Dees5 通过修正风力机叶片刨面的迎角估计了尾流对叶片 的影响，并且求解了欧拉方程的尾迹流场。 Duque，Van Dam 和 Hughes6

18、 利用 CFD方法求解了纳维.斯托克斯（N-S）方程，并与实验结果进行了比较。Madsef】。 对比分析了 CFD 方法和动量理论方法的计算结果。 Banesley， John， Naramore， WoocP-13等采用CFD方法对风力机在失速情况下的流场进行了数值分析。早期 的学者对风力机的 CFD 数值模拟投入了大量的精力，也获得和可喜的成绩，为 现在的风力机气动分析打下了良好的基础。随着数值计算、网格生成、边界层、 湍流模型等技术的不断完善， CFD 数值模拟必然会成为风力机气动研究的可靠 方法，对风力机 CFD 模拟研究对风力机设计、气动性能的计算等不仅具有一定 的学术意义，还有很高

19、的工程价值。1.4 风力机叶片结构分析的研究现状风力机叶片的振动性能对风力机叶片的载荷分布、 可靠性、安全性都要直接 的影响。由于风力机叶片几何外形的不对称性、风剪切、旋转的因素，风力机叶 片受到的载荷具有随机性和交变性， 叶片的振动是不可避免的。 风力机叶片的振 动是风力机的主要振动， 对风力机叶片的结构动力学分析也是风力机分析中的重 要一环。国外的风电技术相比中国已经相当成熟，但结构分析大多基于小变形理论， 现在已经开始进行非线性分析。 目前，国外的风力机计算机辅助设计的制造技术 已经成熟并走向商业应用。代表性的软件有英国的 Garrad hassan 公司研制的“Bladed For W

20、indows”、荷兰Delft大学研制的“ FOCUS”和ECN公司研制的 “PHATAS-II” 14。WT_Perf是美国俄勒冈州立大学编写的使用动力叶素理论来 预测风力机性能的程序， 美国国家风能技术中间的员工对其进行了改进并增加了 很多新的功能和算法 1 5 。美国国家可再生能源实验室下属的国家风能技术中心 在风力机分析和设计方面开发了几个程序： ADAMS ， FAST_AD 和 YawDyn 等， 不同程序对应不同的功能。其中 ADAMS 是一款可视化的商用多体动力学分析 软件， FAST_AD 和 YawDyn 是俄亥俄州立大学开发的用于性能和结构响应的计 算程序。Donghoo

21、n Lee等17采用一种基于把风力机看成是带有刚性体和柔性 体的多柔性体系统。M.H.Ha nseH18 利用特征值的方法来分析风力机气动稳定性。 Anders Ahlstrom 用非线性有限元软件 MSC.MARC 对风力机进行分析 19。 Md.Quamrul ISLAM 和 A.K.M.Sadrul ISLAM 使用片条理论和叶栅理论对水平轴 风力机的气动性能进行了计算分析， 并指出在低叶尖速比是叶栅理论计算效果更 好20, Wilson21等面试了 ADC程序，ADC建立了 2桨叶HAWT模型。该模型 包括了叶片的挥舞、转子的摆动偏转、塔架的顺风向横风向运动和传动链柔性， 该程序允许输

22、入具有不同尺寸、 刚度和重量的桨叶， 并可处理剪切风、 塔影效应 和湍流问题。信伟平22引一利用自行开发的 BLADE DESIGN FOR WINDOWS 中的叶片 结构分析模块， 建立叶片有限元模型， 进行了风力机旋转叶片的动力特性及响应 分析。陈彦 23利用有限元法研究了桨叶与转子、机舱、塔架的动力响应。韩 新月24建立了风力机叶片在桨距角和转速变化时的动态气动分析模型，并对风 力机叶片进行了结构动力分析及优化设计。 何婧等采用动量叶素理论进行风力机 气动性能的计算分析，并用有限元模型对塔架进行了模态分析，建立风力机 ADAMS 柔性多体动力学仿真模型，并在 MATLAB Simulin

23、k 环境下建立风力 机传动链的数学模型， 同时进行传动链系统的编程运算， 充分考虑了气弹耦合特 性以及传动系统的影响，最终实现在 MATLAB Simulink 和 ASAMS 基础上对 风力机系统振动性能的联合仿真 25。仿真数据同国家著名的风力机分析软件 Bladed计算数据进行了比较，分析表明，改联合仿真方法可以较好的模拟风力机 的振动特性 26。1.5 风力机叶片模态分析研究现状模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法， 是系统辨别方法在工程振 动领域中的应用。 模态是机械结构的固有振动特性， 每一个模态具有特定的固有 频率、阻尼比和模态振型。 这些模态参数可以由计算或试验分析取得，

24、这样一个 计算或试验分析过程称为模态分析。 这个分析过程如果是由有限元计算的方法取 得的，则称为计算模态分析； 如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参 数识别获得模态参数， 称为试验模态分析。 通常， 理论计算和实验研究都是相互 补充和相互促进。 有限元计算确定计算结构的动力学模型， 然后使用实验确定特 征参数等， 在动力学模型的基础上可以计算整个结构对激励的响应， 以及进行结 构动力学优化修改。赵娜等27以 1MW 水平轴风力机叶片为例，应用 ANSYS 有限元软件，通过 APDL 参数化语言实现风力机叶片的有限元建模。利用 ANSYS 建模技术对风力 机叶片进行模态分析及稳定性分析。

25、李德源等 28水平轴风力机旋转风轮振动模 态汁算分析方法和影响固有频率汁箅结果的因素进行了研究。 应用多体动力学的方法探讨了旋转叶片动力刚化效应产生的原因； 考察了叶片动力刚化效应阱及 玻璃钢复合材料的各向异性性质对叶片振动模态的影响。王旭元等29 利用ANSYS 有限元软件，建立复合材料风力机叶片的有限元模型，输入复合材料特 性参数，施加边界条件，求解计算，确定风力机叶片模态和频率，为叶片铺层结 构设计提供依据。张春丽等 30 采用桥联理论与有限元软件结合的方法，对三维 结构复杂的复合材料风机叶片逐次破坏过程和极限承受载能力进行了数值模拟 和计算，同时利用 NREL 开发的专门计算合法材料和

26、叶片性能的 Precomp 程序 计算出叶片截面的力学参数。17第 2 章 叶片建模简介与建模软件2.1 叶片建模简介随着高性能计算机的普及 数值模拟技术的飞速发展 风力机的气动模拟计 算、振动模拟计算等都对风力机的三维造型有更高的要求。 风力机叶片又是风力 机中最关键 也是受力最复杂的部件 其设计的好坏对整个风力机的性能有着决 定性的意义 31 。然而，由于风机叶片的外形与内部结构较为复杂，一般由前缘、 后缘、梁帽、腹板等不同区域组成的，不同的区域具有不同的复合材料铺层，因 此在结构分析的三维壳模型建模过程中必须把叶片壳体按照铺层方式的不同分 割为不同的材料面， 以便对其赋予各自的复合材料参

27、数。 特别是在翼展方向存在 扭转角和渐缩的弦长。叶片的三维建模就很困难， 目前来讲， 风力机叶片建模有两种方法是 : 第一 种是采用三维建模软件如 Pro/E/ 、UG、Solidworks 等建立模式，一般步骤是首 先通过坐标变换得到三维坐标系， 然后将所得到的点输入至 UG 或者其他三维建 模软件，再绘制出相应的曲线，最后生成相应的叶片模型 32-37 。第二种是利用 ANSYS直接建模。本文就是基于通用的办公软件 EXCELS强大的曲面建模功能软 件UG对风力机叶片进行三维建模研究并应用该方法对 750kW水平轴风力机叶 片进行参数化建模为后续的工作，即对叶片气动性能叶片的刚度、强度和使

28、 用寿命等性能分析奠定了强有力的基础2.2 UG NX 产品简介SIEMENS PLM Software的旗舰数字化产品开发解决方案 NX软件性能优良、 集成度高，功能涵盖了产品的整个开发和制造等过程。 NX 建立在为客户提供优 秀的解决方案的成功经验基础之上， 这些解决方案可以全面地改善设计过程的效 率，削减成本，并缩短进入市场的时间。 NX 的独特之处是知识管理基础，工程 专业人员可以使用其来推动革新以创建出更大的利润， 还可以管理生产和系统性 能知识，并根据已知准测来确认每一设计决策。利用NC建模功能，工业设计师能过迅速地建立和改进复杂的产品形状， 并且使用先进的渲染和可视化工具来最 大

29、限度满足设计概念的审美要求。U2实体建模模块将基十约束的特征造型功能和显式的直接儿何造型功能 无缝地集成一体， 提供业界最强大的复合建模功能， 使用户可充分利用集成在先 进的参数化特征造型环境中的传统实体、 曲面和线架功能。 该模块提供用于快速 有效地进行概念设计的变量化草图工具、 尺寸驱动编辑和用于一般建模和编辑的 工具，使用户既可以进行参数化建模又可以方便地用非参数方法生成二维、 三维 线架模型， 扫掠和旋转实体以及进行布尔运算； 也可以部分参数化或将非参数化 模型后参数化，方便地生成复杂机械零件的实体模型。uw自由曲面建模模块独创地把实体和曲面建模技术融合在一组强大的工具中，提供生成、编

30、辑和评估复杂曲面的强大功能，可以方便地设计如飞机、汽 车、电视机及其他工业造型设计产品上的复杂自由曲面形状。 这些技术包括直纹 面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组正交曲线的自由曲面、曲线广 义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两 张及多张曲面间的光顺桥接、 动态拉动、等矩或不等距偏置、 曲面剪裁编辑等。 该模块同时支持通过一组曲线线架逼近或通过测量点云逼近生成曲面等逆向工 程的功能。生成的曲面模型既可通过修改定义曲面的曲线、 改变参数数值， 也可 利用图形或数学规律来控制曲面形状， 例如可变半径倒圆角或可修改截面积的扫 掠曲面。生成的曲面模型与所有其他

31、 unigraphics 功能完全集成。 该模块还包括 了易于使用的复杂曲面形状、尺寸和曲率光照评估检查工具。2.3 本章小结本章主要介绍了风力机叶片的建模方法和本文建模用到的软件 UG NX7.5在 三维建模方面的优势，为后续的建模工作奠下坚定的基础。第3章 叶片模态分析理论与 ANSYS软件介绍风力机结构动态特性分析涉及多方面的内容， 其中主要是研究风轮的固有频 率和振型，从而分析风力机在外载荷作用下的结构动力学特性。目前研究静止风 轮结构动态特性广泛采用的是模态分析。它的主要方法是将耦合的运动方程组解 耦成为相互独立的方程，通过求解每个独立的方程得到各模态的特性参数，进而就可以用所求得的

32、模态参数来预测和分析该系统的运动特性等。模态分析分为计算模态分析和试验模态分析两种。试验模态分析针对具体的叶片进行，结果可靠， 因此本文中采用试验模态分析的方法来研究风力机的结构动力学特性。风力机是旋转机械，风轮旋转过程中，固有频率会随着转速的升高而升高， 这涉及到动频 问题。3.1叶片模态分析理论模态分析技术从20世纪60年代后期发展至今已趋成熟，它和有限元分析技 术一起成为结构动力学的两大支柱模态分析作为一种“逆问题”分析方法，是建立在实验基础上的，采用实验与理论相结合的方法来处理工程中的振动问题。模态分析是研究结构动力特性一种近代方法， 是系统辨别方法在工程振动领域中的 应用。模态是机械

33、结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼 比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称 为计算模记分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得 模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。模态分析 的经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。模态分析是用 来确定结构的振动特性的一种技术，这些振动特性包

34、括固有频率、振型、振型参 与系数(即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动)等。模态分析是所有 分析类型中的最基础的内容。机械结构系统通用运动方程为：M Q+C u+K u=F(t)(3.1)M为质量矩阵; i为加速度向量;C为阻尼矩阵;u为位移向量;K为刚度矩阵 ;F（t） 为作用力向量。当结构自由振动时 ,F（t）=0, 忽略阻尼项：M ” K u =0（3.2）风力机叶片与轮载之间的连接可认为是固定连接，即叶片根部节点的自由 度被约束，也就是说根部节点的自由度为 0.风力机受力情况复杂，叶片受到的动载荷是风载荷，因为周期激振作用 , 必须对其做动力学研究 38 。摆振就是叶片在旋转平

35、面内的摆动；挥舞就是叶片 在垂直于旋转面上的运动；扭振是叶片绕展向轴的扭转。风机叶片的振动方式 主要是这三种 39 。3.2 ANSYS 软件介绍ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro Engineer，UG， AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。软件 主要包括三个部分： 前处理模块， 分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供 了一个强大的实体建模及网格划分工具， 可以方便地利用其构造有限元模型； 分 析计算模块包括结构分析 （可进行线性分析、非线性分析和

36、高度非线性分析 ）、流 体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可 模拟多种物理介质的相互作用， 具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可 将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片 显示、透明及半透明显示 （可看到结构内部 ）等图形方式显示出来，也可将计算结 果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了 100种以上的单元类型， 用来模拟 工程中的各种结构和材料。自 ANSYS 7.0 开始，ANSYS 公司推出了 ANSYS 经典版（Mechanical APDL） 和 ANSYS Workbench 版两个版本，并且目前均已开发至

37、 15.0 版本。 ANSYS Workbench 提出的背景主要是：传统 CAE 软件在设计研发中的不足；对分析人 员的要求高， 主要是有限元的概念， 与相关行业功能结合较少； 数据接口与共享 不方便，处理模型的功能较弱； 主要是设计后期使用， 而不是贯穿整个设计过程。 ANSYS Workbench主要又四个模块组成：Design Modeler （几何建立模块）用了 建立CAD几何模型，为分析准备；Design Simulation（计算仿真模块）是用ANSYS 的分析模块，实现网络划分、求解以及后处理；Design Xplorer （优化模块）用 于研究变量的输入（几何、载荷等）对响应

38、（应力、频率等）的影响，可实现优 化；FE Modeler （有限元模型转化模块）用了把其他有限元网格模型转化为 ANSYS 识别的数据库文件。ANSYS 有限元在风力机结构有限元分析中的应用。 由于 ANSYS 软件有着 许多优点，目前已广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能 源、交通、国防军工、通用机械等一般工业及科学研究。 风力机械作为通用机械， 亦可以用 ANSYS 软件来对其进行优化设计、分析等。随着大功率风力机的出现 和风力发电设备国产化进程不断加快， ANSYS 软件已应用于风电机组一些部件 的结构设计与分析中，如塔架、齿轮、机舱、轮毂、叶片和整个风轮等，但这些

39、分析主要集中在模态分析上。 本课题主要应用 ANSYS 软件对风力机当个叶片及 风轮进行模态分析， 通过模态分析计算叶片无预应力和有预应力情况下的固有频 率和振型。这将拓展 ANSYS 有限元软件在风力机中的应用。3.3 本章小结本章介绍了模态分析的理论和方法， 以及介绍了本文模态分析用到的软件和 该软件在模态分析方面的优势，为后续模态分析奠定了基础。第 4 章 叶片外形设计与三维建模4.1 风力机叶片叶片是风力机的关键部件之一，它涉及到气动、复合材料结构、工艺等。在 兆瓦级风电机组中，叶片技术更为关键。如750KW主力型风力机叶片长24-27m, 每片重 2t 左右，设计制造难度还是很高。国

40、外最著名的叶片公司是丹麦的 LM 公司，它是世界上最大的全球叶片生产商，世界上正在运行的风力机将近13以上是 LM 公司的。目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料 (GFRP)，对于长度大于40m的叶片可以采用碳/玻璃混杂复合材料，但由于碳 纤维价格昂贵等因素， 还是未能全面使用。 玻璃纤维增强复合材料的风力发电机 叶片具有一下特点： 可以根据叶片的受力形式及特点来设计满足叶片的刚度和 强度。叶片振动主要是挥舞， 也就是主要承受纵向受力， 即离心力和气动弯曲载 荷，气动弯曲的载荷要比离心力载荷大很多， 剪切和扭转所引起的剪应力倒不大。 考虑纤维主方向受力为主， 可以把大部分纤维安放

41、在叶片的展向， 这样既能满足 强度和刚度的要求， 还可以减轻叶片的重量。 叶片容易成型， 在风轮不同的半 径处，叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的，用金属制造十分困难。叶 片设计寿命一般是 20年，要求经受 108次以上的疲劳交变，因此对材料的疲劳 性能要求要好，而 GFRP 的疲劳强度较高，缺口敏感性也很低，内阻尼大，抗振 性能好。GFRP具有很好的耐腐蚀性。风力机都是在户外，沿海也分布很多， 叶片受气候的影响，对叶片材料的要求具有耐酸、碱、水汽。4.2 叶片结构任何类型叶片， 尽管受力状态十分复杂， 但主要承载沿叶轴的纵向力， 即离 心力和弯曲力。 在高转速的螺旋桨中， 飞机螺旋桨叶片

42、， 离心应力和弯曲应力之 比高达310或更高；在中等转速的叶片中，离心应力和弯曲应力属同一量级； 而在低转速的； 而在低转速的风力机叶片中弯曲应力则比离心应力大， 特别是大 型叶片中。 叶片剖面结构形式的设计， 是叶片叶身设计的重要环节， 它的设计好 坏，对叶片构性能影响很大。 除了小型叶片外， 玻璃钢叶片一般不采用实心结构， 因为空腹薄壁结构既能提高叶片的整体刚度又可以减轻重量。 由于薄壁结构在受 载时比较容易引起失稳或局部变形过大， 因此除了外载荷较小的叶片可以直接用 空腹薄壁结构外，为了提高叶片总体刚度，增加承载能力，防止局部失稳，可根据具体情况分别设置大梁、肋条（剪切腹板），或在空腹内

43、填充硬质泡沫塑料。4.3风力机叶片翼型选择及设计参数4.3.1翼型的选择现代风力机通常是采用三叶片的上风或下风结构。风力机叶展形状、翼型形 状与风力发电机的空气动力特性密切相关。一台好的风力机应当尽量增加升力而 减小阻力，使之尽量趋于最大值，以增加风力机的风能利用系数。叶片通常由翼 型系列组成。由于叶片根部各翼型力臂较小，对风力机风轮输出扭矩贡献不大， 所以叶片根部对风力机性能影响较小， 主要考虑加工方便和强度问题。在尖部采 用薄翼型以满足高升阻比的要求；根部采用相同翼型或较大升力系数翼型的较厚 形式，以满足结构强度的需要。典型运行工况下的雷诺数范围是5X 105 2X106 。常用的翼型有N

44、ACA44X系列、NACA644X系列和NACA230X系列等航空翼 型：专用翼型有美国的SERI翼型系列以及NRELM型系列、丹麦的RIS， A系 列翼型和瑞典的FFA-W系列翼型族。本文所采用NRELs系列的翼型s818、s825、s826,该翼型来自美国windPAT 项目研究结果。翼型图如下表所示S81S Airfoil图4.2 s818翼型图5S2S Airfoil图4.3 s825翼型图图4.4 s826翼型图4.1各组翼型坐标cyin derS818S825S826x/cy/cx/cy/cx/cy/cx/cy/c101010100.999013-0.03140.996280.00

45、11720.996570.0010280.996640.0009850.996057-0.062670.9857490.0050420.9868180.0044480.9870560.0042650.991144-0.093690.9697330.0115670.971880.0102310.9723140.0098340.984292-0.124340.9493310.0199330.9527170.0176620.9533320.0170370.975528-0.154510.9250130.0290360.9297520.0257510.9305310.0249490.964888-0.

46、184060.8966040.0379580.9028330.0336520.9037940.0327680.952414-0.212890.863630.0466350.8715280.0412710.8727360.0404030.938153-0.240880.8264240.0553870.8361140.0488760.8376460.0481210.922164-0.267910.7855330.0642160.7970690.0564580.7990070.0558420.904508-0.293890.7415350.0730430.7548970.0639410.757330

47、.0635440.885257-0.318710.6950380.0817460.7101380.0712180.713160.0710840.864484-0.342270.6466740.0901720.6633510.0781570.6670640.0783120.842274-0.364480.5970880.0981380.6151140.0846090.6196240.0850560.531395-0.499010.4474050.1171130.0516110.0460930.3822450.103258S82G AirfoilKft432叶片设计参数(1) 叶轮直径实际设计过程

48、中，对于一般功率给定的风力机叶轮直径由下式给出PnCp 2Vji4(4.1)式中，D为风力机叶片直径；Pn为风力机输出功率，Cp为风能利用系数； 为传动链和发电机效率；：7为空气密度；Vn为额定风速（m/s）;（2）叶片数一般来讲，叶片数取决于叶片的叶尖速比，国际GB/T 13981-1992给出了叶尖速比和叶片数的对应关系（表4.3），表示不同叶尖速比对应的叶片数和风力 机的类型。表4.2不同的叶片数对应的叶尖速比叶尖数比叶片数目风机类型1620低速2412低速338中速435中速5824高速81511高速（3）扭转角标准“ JB/T 10194-2000风力发电机组风轮叶片”中定义叶片安装

49、角为叶片 旋转平面与叶根所在位置处翼型几何弦所夹角度。国际“GB 8974-88（ JB/T7878-1995）风力机术语”中安装角的定义外延更广些，指叶片翼型几何弦与叶 片旋转平面所夹角度。这时我们通常认为的。扭角为叶片尖部几何弦与根部几何 弦夹角的绝对值。在变桨距系统中，安装角也称为节距角或桨距角。风向角是翼 型上相对风速方向与风轮旋转平面之间的夹角，也称气相角、倾角或者入流角。（4）.叶尖速比风轮叶尖的线速度与额定风速的比值成为叶尖速比，表示为(4.2)wR _ 二nRv30Vn式中，w为旋转角速度（m/s）; n为风轮转速（r/min） ； Vn为额定风速（m/s）; R为风轮半径（m

50、）风力机理论表明，风力机最大能量变换效率出现在叶尖速比最优时，这样可 以通过控制系统的叶尖速比而使风力发电系统获得最大能量。现在很多大型风力机通过采用这种方法或者通过改变与叶尖速比密切相关的风力机的转速来控制 系统的输出。本文结合上述所介绍的概念及 propid的使用，参考 WindPACT项目研究结果40确定了以下参数转子直径（m） 50叶片额定转速（rpm） 28.6最大叶尖速度（m/s） 75额定功率（KW）750叶尖速比7图4.1弦长分布表4.3各叶素数据叶片翼型转角（）弦长（m）R(%)(m)51.2Cyli nder10.51.3571.6Cyli nder10.51.35255.

51、8S81810.525011.6S8252.51.537517.5S8260.01.0710025S826-0.60.654.3.2叶片截面空间坐标的求解第一步，平移变换求解二维坐标。将以前缘为原点、弦长方向（前缘后缘）为X轴正向的原始翼型数据平移变换成以翼型气动中心为原点、弦长方向 （前缘后缘）为轴正向的二维坐标数据。设平移变换后的二维坐标为（“）,则（“yj =（Xo,y）-（X,Y）式中：（X。，yo）为原始翼型数据；（X，丫）为对应翼型的气动中心坐标。第二步，旋转变换求解三维坐标。将平移变换后的坐标乘以对应截面处的弦长得到实际弦长对应处的离散坐 标值，然后将这些离散坐标通过旋转变换，即

52、可得到实际的三维坐标数据。 设实际弦长对应的二维坐标为（X2，y2）、实际 空间三维坐标为（x，y，z），其中,（X2, 丫2）=（Xi, yj L ,贝Uy1cos(arcta nr)Xiy1sin( arcta j)Xi式中：r为各翼型截面到叶根的距离；L为弦长；二为各翼型截面的扭角。由于反正切函数值的取值范围为（-n2, n2），因此在计算过程中应特别注意 X,y的正负号4.3.3坐标求解方法及结果相比其他软件。Excel软件是一般的办公软件，求解过程简单，通用性也较 强，在计算的过程中，只需改变原始数据输入即可实现对不同翼型的实际空间 坐标求解，可以避免大量的重复过程。表4.4 5%R

53、、25%F处截面三维坐标Cyi nder(5%R)S818( 25%RXYzXyz995.5455939184.513469616601474.882361273.353288258001001.959737142.596855716601467.139785274.302205458001005.729258100.360207816601445.019967278.074353858001006.8392787.9702145716601411.146172285.06846258001005.2854215.5941682116601367.976274294.0843447580010

54、01.073812-26.6006896816601316.836908303.12227655800994.2210795-68.4478370816601257.71852310.3132195800-277.3965353352.09948011660-486.6533705-102.29446295800-257.9477188389.78087191660-481.606527-109.04580055800-236.1712469426.16670621660-459.4810517-128.81682055800-212.1530593461.11338591660-427.41

55、68682-147.9967575800-185.9879462494.48299061660-386.3650085-165.98689635800表4.5 50%R、75%R 100%R处截面三维坐标S825(50%R)S826(75%R)S826 (100%xyzxyzxyz1148.28150.1350311600800.625017500485.5983-5.08536250001142.96051.4796511600796.96341.0973917500483.3845-4.39650250001127.80156.0639311600786.55324.74824175004

56、77.0936-2.11605250001104.54463.9193811600770.606910.921517500467.46101.729516250001074.70874.0155711600750.150318.854117500455.10406.67075925000-133.500121.950111600-247.428-17.61417500-150.25517.8370325000-184.891107.097116600-229.438-25.40817500-157.07011.3132525000-231.22591.1842016600-206.313-32

57、.99217500-160.9865.22144825000-271.98974.4850916600-178.259-40.29717500-161.6703.16556225000-306.82257.3086316600-145.667-47.34717500-161.8591.910678250004.4 叶片实体建模通过对原始数据的变换得到空间三维坐标数据，将每个截面的*txt的文本文档文件改建成一个* dat数据文件(1)点击“插入” f曲线”-图4.5通过样条命令(2) 点击“通过点”命令(3) 通过“文件中的点”导入翼型坐标(4) 依次导入翼型数据，UG软件自动生成各叶素Mt亲

58、卜，9 9.寸 聯#叙 00L 0L.寸 耳髯尉卿叵一i士tLL.寸27图4.12 轮廓正视图(5) 生成叶素面。利用“插入-网格曲面一通过曲面组”依次选择各个叶 素，并且使选择曲线的箭头方向和翼型曲线切线方向一致，得叶片曲面图，点 击确定即可得到叶片的实体模型W口 19彳HU.；1 r I + O .q 111卯卿I严“讪IwngiUK illKOhSWMQl vlmiIB 应RMCi 口 AUEJHflMSi 事口痒讯0由讽1正* BNIrfeiaH=-C9 RS.T:B*4.FE2L1图4-13通过曲线组(6) 通过“体类型”选择实体或者片体图 4-14体类型图4-15壳体填充叶片图图4

59、-16壳体叶片图4.5本章小结本章节从风力机叶片截面翼型的选择和原始数据出发，通过EXCELS件实现了各截面空间点坐标的转换，最后借助于软件UG NX7.5建立叶片的三维模型，为后续的模态分析打下坚实的基础。第5章模态仿真分析风力机叶片作为弹性结构，在运行过程中，受载荷的作用，产生振动。当风 轮的旋转频率与风轮固有频率接近或成倍频关系时，就会发生共振，引起叶片的疲劳，减少叶片的使用寿命。因此，准确地获得风轮的结构动力特性具有十分重 要的意义，它为提高风力机的性能和稳定性提供可靠的依据。在研究叶片的振动 中，主要有三种振动形式。挥舞，是叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动； 摆振，是叶片在旋转平面内的弯曲振动；扭振，是绕叶片变距轴的扭转振动。模态分析是进行结构动力特性研究的重要手段，它分为计算模态分析和实验 模态分析。实验模态分析直接针对具体的叶片进行， 结果可靠，可以对计算模态 分析结果的准确性进行评定。我们采用实验模态分析的方法，对多叶片风力机风 轮、单个叶片、圆板等进行模态分析，得到他们的实际模态，找到它们之间的关 系。5.1分析步骤(1) 新建工程项目双击modal，建立静态结构工程项目Design* As s-essncntExplicit DyfcA Flyidl Flaw(C1=XjFl