CAE在复合材料风机叶片的应用.PDFVIP

北京泛木科技有限公司   CAE 在复合材料风机叶片的应用 在风力发电中，要获得较大的风力发电功率，其关键在于具有能轻快旋转的叶片。叶片 的设计除了要求有高效的接受风能的翼型，合理的安装角，科学的升阻比、尖速比和叶片扭 角，由于叶片直接迎风获得风能，所以还要求叶片具有合理的结构，优质的材料和先进的材 料工艺以使叶片可靠地承受风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力，而且还 要要求叶片质量轻、结构强度高、抗疲劳强度高、运行安全可靠、易于安装、维修方便、制 造容易、制造成本和使用成本低。随着 CAE 技术的发展，所有这些要求均可通过相应的 CAE 分析方法，如结构分析、流体分析、工艺分析等来解决。目前风机叶片的结构分析是风机叶 片结构设计的基础之一，主要设计目标：①振动最小或不出现共振；②质量最小；③保证结 构的局部稳定或全局稳定；④满足结构强度和刚度要求。因此复合材料风机叶片结构分析主 要涉及模态分析、优化分析、屈曲分析和强度和刚度分析，其中模态分析和强度和刚度分析 是目前复合材料风机叶片结构分析中最常使用的两种分析类型。 在风机叶片结构分析中，首先要确定叶片载荷。根据风机设计标准，载荷工况、非正常 载荷工况和事故载荷工况。正常载荷工况是指风机正在运行、偏航、开机、停机等正常运行 期间叶片所受的载荷，须考虑气动力、重力和离心力作用。非正常载荷工况是指风机在极端 风载、安装运输、危险状况等非正常运行期间叶片所受的载荷。事故载荷工况是指飞车、叶 片损坏事故时叶片所承受的载荷。随着计算机技术的发展，有限元在结构分析中得到广泛应 用。有限元强大的建模和结构分析功能适应叶片的应力、变形、频率、屈曲、疲劳及叶根强 度的分析。风机叶片有限元的特点：①形状不规则（每个截面都不同）；②铺层复杂，过渡 层很多；③大量夹层结构（“三明治”结构）；④大量粘结区域；⑤载荷分布不规则。NASTRAN FX 是一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天、机械制造等，尤其在 复合材料分析更具优势，可以对复合材料风机叶片进行建模、结构设计、材料研究以及制造 工艺提供完整的解决方案。总之，对复合材料风机叶片结构计算分析，完全可以使用 NASTRAN FX 软件实现，并得到满足精度的结果。图 1 为某叶片的应力分析结果，图 2 为某叶片的模 态分析结果。通过分析结果，如所有铺层及层间的应力、应变和失效等结果，可以知道叶片 结构的刚度、强度情况以及是否进行重新的设计，包括材料替换、变更铺层层数、更改铺层 角度等。 应力云图    ‐ 1 ‐    北京泛木科技有限公司   图 1 某叶片的应力分析  复合材料分析高级功能  复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质，因此复合材料结构的精确仿 真，已成为现代风机叶片结构的迫切需求。许多 CAE 程序都可以进行复合材料的分析，但 是大多程序并没有提供完备的功能，使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非 线性分析能力，有些不提供层间剪切应力的求解能力，有些不提供考虑材料失效破坏继续计 算能力等等。NEi Nastran 作为一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于风电能源、 航空航天等领域，已为叶片结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。  1.复合材料的有限元模型建立  针对叶片结构中的复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型，NEi Nastran 提供 一种特殊的复合材料单元——层单元，以模拟各种复合材料，铺层角任意设定，并提供一系 列技术模拟各种复杂层合结构。复合材料层单元支持非线性、振动特性、热应力等各种结构 和热的分析功能和算法。  2.复合材料的层合结构定义  ■铺层结构：NEi Nastran 对于每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度，然后通 过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构；也可以通过直接输入材料本构矩阵来 定义复合材料性质。  ■板壳和梁单元截面形状：NEi Nastran 利用截面形状工具可定义矩形、I 型、槽型等各 种形式；还可以定义各种函数曲线以模拟变