基于ANSYS的大型風(fēng)機(jī)葉片建模研究

    摘  要：有限元校核分析是葉片設(shè)計過程中的重要一環(huán)，而葉片外形與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其有限元模型的建立將十分繁瑣。本文針對750kW風(fēng)機(jī)葉片，利用有限元軟件ANSYS，詳細(xì)介紹了大型葉片的建模過程，并對建模方法提出了一些建議。在建模過程中，采取自下而上的方法建立葉片的實體模型，利用殼單元SHELL91和SHELL99與實常數(shù)相結(jié)合．在劃分網(wǎng)格時采用面賦值法和單元賦值法來模擬復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)。通過設(shè)置SHELL91的單元參數(shù)，利用其“三明治”的特性模擬葉片的夾芯結(jié)構(gòu)。葉片有限元模型的建立為大型葉片的設(shè)計與分析校核做了鋪墊。
1  前 言
    隨著全球油價的持續(xù)上漲，新能源的開發(fā)和利用越來越受到重視，國家發(fā)改委在2007年4月發(fā)布《能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》中明確指出：“十一五”期間，重點發(fā)展資源潛力大、技術(shù)基本成熟的風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)成型燃料、太陽能利用等可再生能源……目前國內(nèi)已有眾多廠家生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，葉片作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一，是風(fēng)力機(jī)捕捉風(fēng)能、轉(zhuǎn)換能量的重要組成部分。但是國內(nèi)生產(chǎn)葉片的廠家以引進(jìn)國外技術(shù)進(jìn)行制造為主，對大型葉片的結(jié)構(gòu)分析與研究還處于起步階段。由于葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且當(dāng)前的主流葉片都是在中間加設(shè)主梁和腹板的大型空心葉片，所以葉片模型的建立多是采用專門開發(fā)的軟件，或采用三維建模軟件與ANSYS結(jié)合起來建模的方法。而本文的建模則是在ANSYS軟件上直接實現(xiàn)的，真實地模擬了葉片的模型，為葉片的動力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析做了準(zhǔn)備性工作，對其他大型葉片模型的建立也有一定的參考價值。
2  葉片實體模型的建立
    葉片實體模型在ANSYS中采取自下而上的方式建立，模型建立前首先要確定葉片的翼型，翼型的形狀直接影響葉片的氣動性能。風(fēng)機(jī)葉片的翼型是葉片在其展長方向上某一位面的輪廓線，翼型一般是瘦長形狀，其前部較厚且有小圓弧狀的前緣，而其后部較薄且有一較尖的后緣，如圖1所示。為方便建模，根據(jù)750kW葉片翼型的特點，將葉片劃分為44段，共有45個截面，建立每個截面的關(guān)鍵點，將關(guān)鍵點連接成線，然后連接相應(yīng)的線成面，實現(xiàn)葉片的實體建模。
2.1  建立翼型截面輪廓線
    葉片截面的翼型數(shù)據(jù)可以通過Profili軟件得到，獲得截面的關(guān)鍵點坐標(biāo)以后，通過命令流的形式建立關(guān)鍵點（如圖1所示），數(shù)據(jù)格式如下：