风力机叶片静力试验的有限元模拟方法研究-论文.pdf

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1、2014年第8期玻璃钢／复合材料41风力机叶片静力试验的有限元模拟方法研究赵娜，高阳(中材科技风电叶片有限公司，北京102101)摘要：要使风力机叶片的试验结果与数值模拟结果的偏差满足GL规范规定的相应要求，那么数值模型与叶片的实际试验状态相吻合是很关键的。一般应用有限元软件进行叶片结构分析时，边界条件为约束叶片根部，而实际在进行静力试验时，叶片是安装在轮毂上，轮毂再与支座固定在一起的，而轮毂并非刚体，因此模型中应考虑其对试验结果的影响。本文结合某大型水平轴风力机叶片的试验结果和数值模拟分析，证实了在叶片模型中加轮毂这种修正方法是有效的。关键词：风力

2、机叶片；轮毂；模态分析；相似三角形中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003—0999(2014)08—0041—03风力机叶片是风电设备中有效捕获风能的关键原有的有限元模拟方法是将叶根直接固支约束部位。在风电产业发展的初始阶段，国内大多数单(即假定轮毂为刚体)，然后施加载荷进行计算，这位没有研发设计能力，依靠购买国外的许可证来生与真实的静力试验过程不符。由于有限元对边界的产叶片。随着国家对新能源产业的大力支持，一些约束与真实试验的叶根约束存在差异，造成模拟结有实力的叶片厂逐步组建自己的研发设计团队，致果与试验结果存在很大偏差。力于独立自

3、主设计开发新型叶片产品。由于在摸索表1静力试验频率及叶尖挠度TablelNaturalfrequencyanddeflectionofstatictest中前进，通过试验校核计算结果，通过计算预测试验现象，在这过程中难免遇到困难、挫折。之前通过有项目数据限元软件计算叶片的固有频率、最大叶尖挠度等与一阶挥舞频率／HzO．92静力试验测得的结果对比，发现存在偏差。通过查一阶摆振频率／Hz1．46最大挥舞叶尖挠度／m8．O5找问题发现，在数值模拟时的边界条件为约束叶片根部，而试验中是将叶根约束在轮毂上，轮毂再与支表2不带轮毂时的有限元计算频率座固定在一起的

4、，而轮毂并非刚体，这样叶根并没有Table2EFMcalculationfrequencyexcludinghub完全约束，而边界条件的改变会影响计算结果。为一阶挥舞频率／Hz0．985此在对有限元模型进行修正时，在轮毂中心到叶根一阶摆振频率／Hz1．672段建立轮毂模型。用修正后的模型计算叶片的固有表3不带轮毂时的有限元计算频率频率和叶尖挠度，与试验结果再次进行对比，发现结与静力试验频率比较Table3CompareFEMcalculationfrequencyexcluding果有所修正，证实此方法有效。hubandstatictestfrequ

5、encyGL规范要求试验中出现的最大允许偏差为固不带轮毂的有限元计算结果与静力试验值的偏差有频率±5％，弯曲挠度-4-7％。一阶挥舞频率／％一阶摆振频率／％1静力试验在静力试验时，叶片用螺栓安装在轮毂上，轮毂与支座固定在一起。2数值模拟试验过程静力试验过程是将试验载荷通过吊车施加在截鉴于叶根直接固支约束的有限元数值模拟方法面夹具上，通过控制吊车实现多点协调。在加载过与试验情况有所偏差，为了使模拟环境与真实环境程中，轮毂的变形会影响到频率、叶尖挠度的测试结贴切，需要在叶片根部加上一截轮毂。本文中轮毂果为了简化建模，采用梁单元，并对其赋予轮毂的材料收稿日

6、期：2013-08-20基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA051302)；国家科技支撑计划(2012BAA01B02)作者简介：赵娜(1984．)，女，工程师，主要从事风力机叶片设计工作。FRP／EM20i4：No：842风力机叶片静力试验的有限元模拟方法研究2014年8月属性。下面依托某大型风力机叶片的试验结果来介将约束建立在一1210ram截面处，将静力试验过程绍该方法。中的实际载荷加载叶片模型上进行计算。在试验过程中，在叶片根部安装激光器来测量3模态分析轮毂的变形。在距叶根0=6．744m处立一木牌，通3．1理论依据过

7、激光点在木牌上的变化来记录轮毂的变形。叶片通用运动方程：0位置时木牌上激光点的位置为距地面b=[]{}+[c]{}+[K]{}={F()}(4)178．4cm，100％载荷时木排上激光点的位置为距地假定自由振动并忽略阻尼：面c=183．8cm，如图1所示。[]{h}+[K]{／Z}=0(5)其中，[]、[K]是叶片的质量和刚度矩阵；{u}为节点位移向量。式(5)的解为如下简谐运动：{M}={}sintot(6)式中，{}为模态形状(无量纲位移)；∞为圆频率。将式(6)代人式(5)得：([K]一[M]){U}={0}(7)方程式(7)中{}要有非0解，

8、系数行列式为0，得：图1轮毂变形测量不意图det([K]一A[])=0(8)Fig．1Deformation