大型风力机叶片有限元建模研究

张 军，武美萍

(江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122)

大型风力机叶片有限元建模研究

张 军，武美萍

(江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122)

介绍了基于ANSYS软件的大型风力机叶片有限元模型的直接建模方法，详细阐述了ANSYS自底向上建模过程和步骤。对复合材料结构有限元模型单元定义、材料参数定义、网格划分等进行了深入讨论，为更好地进行风力机叶片结构设计、强度分析和铺层优化奠定了基础。

风力机叶片;ANSYS;有限元建模;铺层

从可再生能源的发展趋势来看，风能是最廉价、最清洁、最具开发价值的。风能凭借其商业潜力和环保效益，在全球的新能源行业中创造了最快增速，已经形成了一个规模巨大的风力发电工业［1］。风力机叶片是风力机的核心部件，是风力机进行能量转换的重要组成部分，从这个意义上讲，风力机叶片的设计是极为重要的［2］。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，以有限元分析为基础的大型通用CAE软件［3］。要对风力机叶片进行有限元分析，必须获得对应的叶片模型。若通过Pro/E等建模后再导入ANSYS中，在导入过程中信息丢失和失真现象很严重，最突出的是一个表面出现很多互相搭接重叠的面、一条线变成很多重叠的线等［4］。而使用 ANSYS软件直接建模能真实地模拟和反映叶片的模型，为后续的有限元分析和结构优化提供模型基础。

1 叶片建模基础

1.1 叶片翼型选择原则

风力机叶片通常由翼型系列组成，常用的有NACA等航空翼型系列和SERI、FFA－W等专用翼型系列。根据不同的设计需要，翼型选择依据也各不相同，主要选择依据为:

a.大型风力机叶片优选相对厚度较大且对粗糙度不敏感的翼型。

b.定桨距叶片的风电机组由于需要利用叶片失速特性对风轮功率进行调节和控制，应优选风电机组专用翼型;如果需选择航空翼型，则应优选失速性能好的翼型。

c.变桨距叶片的风电机组多先选择统一翼型，再根据设计要求对翼型的弦长、扭角等进行相应的优化;当功率较大时，采取组合翼型的方式，即根据叶片气动性能和力学结构对不同部位的要求，对风机叶片根部、中部和尖部分别选用不同翼型，使叶片的功率利用性能得到进一步优化。

变桨距叶片组合翼型方式是现阶段叶片发展的主流方式，本文选用的叶片翼型为:NACA63－421、NACA63－418和 NACA63－415，翼型数据可通过Profili软件获得。

1.2 翼型截面数据处理

叶片不同的截面位置有不同的翼型、弦长和扭角，在绘制翼型截面时必须首先选定所要绘制的截面的位置。本文所用叶片截面的位置、翼型、弦长、扭角等部分数据见表1。

表1 叶片截面数据

由Profili软件获得的数据(表2所示仅为其中一种翼型的部分数据)需经过一系列的处理。本文采用基于点的坐标的几何变化理论求解叶片各截面在空间实际位置的三维坐标［5］，主要分两步实现:

表2 NACA63－421翼型数据

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X轴正向的二维坐标数据。设平移变换后的二维坐标为(x1，y1)，则

式中:(x0，y0)为原始翼型数据;(X，Y)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，y2) =(x1，y1) ×L，则

式中:r为各翼型截面到叶根的距离;L为弦长;α为各翼型截面的扭角。由于反正切函数值的取值范围为(－π/2，π/2)，因此在计算过程中应特别注意x，y的正负号。通过Excel软件可轻松实现上述坐标转换，转换数据结果保存为文本文件(*.txt文件)，格式如下所示:

2 叶片有限元建模

2.1 创建叶片叶素

打开ANSYS软件，进入菜单“Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints”，通过菜单“File→Read input from”导入事先保存的翼型数据文本文件(*.txt文件)，文件中的各点就以Keypoint的形式被导入，图1所示为NACA63－421、NACA63－418和NACA63－415翼型数据导入后的Keypoint分布情况。

图1 各翼型关键数据点

点击菜单“Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Splines→Spline thru KPs”，在弹出的对话框中点选Keypoint或者输入Keypoint各点的序号，将各点按顺序连接，绘制翼型上、下两个弧线，获得叶素截面外形轮廓，图2所示为NACA63－421、NACA63－418和NACA63－415翼型轮廓。

图2 各翼型轮廓

以叶片根部r=0的叶素平面为XOY平面，叶展方向(叶根→叶尖)为Z轴正向。通过菜单“Pre-processor→Modeling→Create→Lines→Arcs”绘制叶根圆后，运用“Utility Menu→Workplane→Offset WP to→XYZ Locations”操作移动工作平面，将工作平面依次移动到各翼型所在半径处并绘制出各截面翼型轮廓。通过菜单“Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→Straight Line”分别连接各叶素翼型的前、后缘，叶根圆与翼型即得到叶片的外部轮廓线图，如图3所示。

图3 叶片外部轮廓线图

2.2 创建叶片表面

由于大型风力机叶片蒙皮均为非等厚度复合材料铺层而得到，整个叶片在径向和周向的铺层结构和厚度都不相同。故在创建叶片表面时，就应该将厚度相同部分的边界线通过“Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→By Line”操作分别创建蒙皮表面，整个叶片由若干小区域拼接而成。此时叶片的模型都是由Areas组成，符合现代风力机叶片薄壁的形式特点，ANSYS软件中有专门的单元对薄壁问题进行分析，故无需将叶片三维实体化。创建的叶片表面如图4所示。

图4 叶片表面图

2.3 添加辅助结构

叶片的辅助结构有翼梁和填充材料等。翼梁由凸缘和腹板组成，其上、下端通过梁帽与蒙皮相连。制造翼梁的材料最早以铝合金为主，现在随着叶片体积的不断增大，铝合金已不能完全满足叶片高强度、低比重的要求，所以翼梁材料也逐渐被玻璃纤维或碳纤维复合材料所取代［2］。创建翼梁结构的操作为:“Preprocessor→Modeling→Lines→Lines→Overlaid on Area”、“Area→Arbitrary→By Line”。

填充材料多为硬质泡沫塑料或蜂窝材料，多置于靠近叶片后缘处，对于如矩形梁这类由“三腔”组成的叶片，也可根据实际需要对后腔进行完全填充。由于叶片填充材料对叶片的整体性能影响不大，故在建模时不考虑。需要指出的是，若要实现非常精确的风力机叶片有限元建模，可将这些填充材料以Volume的形式填充到叶片中，并视为各向同性材料。

2.4 定义单元类型

若采用实体单元来模拟，由于复合材料多层板壳的层数一般有十几层到百余层之多，从厚度方向上来看，至少每一层都要划分出一个单元。如果在中面上划分的网格密集，则计算机的硬件配置要求较高;如果在中面上划分的网格稀疏，则三维单元都成了薄片状，使得总体刚度矩阵出现病态［6］。

若采用多层板壳单元模型来表达风力机叶片，壳单元虽然没有厚度，但当把复合材料的物理属性赋给每一个单元后，壳单元完全可以模拟复合材料层合结构的力学性能。

ANSYS中用于建立复合材料模型的单元主要包括 Shell99、Shell91、Shell181、Shell190、Solid46、Solid186和Solid191这7种单元，本文采用线性层状结构壳单元Shell99，相应的操作为“Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete”。

2.5 定义材料性能参数

材料性能参数定义主要包括实常数定义和材料属性参数定义两方面，一般情况下，有限元程序没有单位，只有在给定材料参数时，其数值本身才含有某特定单位。因此，在定义材料属性时，一定要注意单位的统一性。

本文选择Shell99作为风机叶片有限元模型的单元类型，由于选择的材料为复合材料，故在进行材料性能参数设定时，主要需要定义的实常数主要有3个:实常数定义材料号(MAT)、铺层方向(THETA)和厚度(TK)。相应的操作为:“Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete”。

蒙皮、主梁是叶片有限元模型主要组成部分(不考虑填充物)，均为正交各向异性材料，需要设定的基本材料参数有9个:弹性模量EX/EY/EZ、泊松比PRXY/PRYZ/PYRXZ或者NUXY/NUYZ/NUXZ和剪切模量GXY/GYZ/GXZ。相应的操作为:“Preprocessor→Material Props→Material Models”。

2.6 划分叶片模型网格

划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，所划分的网格形式和大小直接影响计算精度和计算规模。单元尺寸的缩小意味着单元数目的增加，而单元数目的增加会对分析结果中位移值和应力值等产生影响。有限单元不仅要求满足完备性要求，还要满足协调性要求，因为只有这样的单元求出的解才是收敛的。因此，划分网格时必须考虑网格数量，网格密度，单元属性，网格质量，网格的分界面、分界点以及网格布局等众多因素［7］。对应的操作为:“Preprocessor→Meshing→Mesh Tool”。叶片有限元模型如图5所示，共有节点3 206个，单元1 265个。蒙皮铺层方案如图6所示，共40层，由［±45°/0°/90°］组成(ANSYS 软件只能显示20层)。

图5 叶片网格划分图

3 结束语

本文通过基于点的坐标的几何变化理论求解翼型数据三维坐标，采用ANSYS软件自底向上直接创建大型风力机叶片有限元模型。建立的风力机叶片有限元模型较真实地反映了叶片实物状态，能为后续的静、动力学分析等有限元分析和叶片结构优化提供模型基础。本文的建模方法对其他复合材料薄壁结构有限元建模具有一定的参考价值。

图6 叶片局部铺层图

［1］方函.风能产业发展方兴未艾 中国为全球第四大市场［J］.经济视角，2009(5):51 －52.

［2］林海晨.风力机叶片的有限元建模［J］.绵阳师范学院学报，2007，26(8):43 －47.

［3］曾志华，虞伟建.ANSYS结构优化技术在机械设计中的应用［J］.中国制造业信息化，2009，38(13):33 －37.

［4］阿荣其其格，刘文芝.风力机叶片有限元建模的两种方法［J］.计算机应用技术，2009(1):48 －50.

［5］陈家权，杨新彦.风力机叶片立体图的设计［J］.机电工程，2006，23(4):37 －40.

［6］李成友.风轮叶片局部屈曲与静强度的有限元分析［D］.南京:南京航空航天大学，2008.

［7］韦丽珍，赵丹平，王清华，等.基于ANSYS风力机叶片的设定方法［J］.能源与环境，2009(2):102－103，112.

Research on the Finite Element Model of Large Wind Turbine Blade

ZHANG Jun，WU Meiping
(Jiangnan University，Jiangsu Wuxi，214122，China)

It introduces a direct way to establish the finite model of blade based on ANSYS，expresses the steps and progress of modeling in a bottom to top way.At the same time，it seeks into the process of defining element types，material parameters and meshing deeply.This method provides conveniences for the future research of wind turbine blade，including structure design，strength analysis and layup optimization.

Wind Turbine Blade;ANSYS;Finite Element Model;Layup

TK83

A

2095－509X(2013)04－0024－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.006

2013－01－24

张军(1986—)，男，四川遂宁人，江南大学硕士研究生，主要研究方向为先进制造技术。