風機葉片根端連接的有限元分析

　　本文基于ANSYS軟件建立風機葉片根端連接部分的有限元模型，并對葉根玻璃鋼部分及T型連接螺栓進行應力分析和強度校核，為葉片根端連接的設計、優化及材料的選用提供可靠的依據和指導。
　　關鍵詞：風機葉片  玻璃鋼  葉根連接  有限元法
　　1  引 言
　　隨著世界能源危機的日益嚴重，以及公眾對于改善生態環境要求的呼聲不斷高漲，風能作為一種清潔的可再生能源越來越受到各國政府的重視。目前，全世界約有50多個國家頒布了支持可再生能源發展的相關法律法規，對風電發展起到了至關重要的作用，風力發電產業正逐步發展成為初具規模的新興產業[ 1 , 2 ]。當前，各國正加快對風力發電機組的研究步伐，不斷推出新的技術裝備。
　　風力發電機葉片（簡稱風機葉片）是風力發電機組中的關鍵部件之一，葉片的翼型設計、結構形式，直接影響風力發電裝置的性能和功率[ 3 , 4]。其中根端連接是葉片設計中最關鍵的地方，因為將葉片根端固定到輪轂上，鋼輪轂和制造葉片的材料一般為玻璃纖維增強塑料（GFRP），它們之間的相關剛度差有數量級的差別，妨礙載荷的平滑傳遞。通常采用螺栓進行連接，螺栓可以沿軸向嵌入葉片的材料中或沿半徑方向穿過葉片殼體，但這兩種情況中葉片根端應力集中都是不可避免的[5]。同時葉片在載荷工況作用下，葉根連接螺栓的強度分析也十分重要。
　　本文采用ANSYS有限元軟件對葉片根端連接部分建立有限元分析模型，并對葉根玻璃鋼部分及T型連接螺栓進行應力分析和強度校核，從而指導葉片根端連接的設計、優化及材料的選用。
　　2  葉片根端連接模型
　　2.1  葉片結構外形及材料屬性
　　目前風電場中采用較多的1.5MW級變速變槳風力機復合材料葉片，其葉片根端連接如圖1(a) 所示。葉片根端橫截面為圓環形，其外圓直徑為1890mm，內圓直徑為1710mm，中心圓直徑為1800mm，根端長度取800mm。從根端沿著中心圓周線均勻打孔并安裝54根T型螺栓接頭連接軸承。T型螺栓接頭，如圖1(b) 所示，由插到葉片殼體縱向孔內的鋼螺柱，與保持在橫向孔內的柱狀螺母進行連接。葉片殼體縱向孔直徑為32mm，長度為200mm，葉片殼體橫向孔直徑為65mm，橫向孔軸線距根端為190mm。鋼螺柱中間圓桿直徑為23.1mm，長度為260mm，兩端螺紋直徑為30mm，長度為80mm。柱狀螺母直徑為65mm，長度為110mm。
　　根端玻璃鋼的主要成分是三軸布，T型螺栓接頭采用42 CrMo鋼, 其材料參數如表1所示。