风机叶片根端连接螺栓的参数化建模及分析

张东灿，王东， 张启应

(国电联合动力技术有限公司上海研发中心，上海 200062)

风机叶片根端连接螺栓的参数化建模及分析

张东灿，王东， 张启应

(国电联合动力技术有限公司上海研发中心，上海 200062)

利用有限元分析软件ANSYS参数化设计语言即APDL,高效快速建立参数化风机叶片连接部分的有限元模型。通过高强度叶根螺栓连接叶片根部和变桨轴承外圈，并对螺栓施加一定的预紧力。在预紧力和外部载荷共同作用下，ANSYS进行接触非线性计算，对叶根螺栓进行静力结构分析和强度校核，为叶片根端连接的设计优化提供指导。通过该方法可以提高叶片根端模型建模效率，缩短连接螺栓设计及校核周期。

风机叶片；参数化设计语言；叶根螺栓；预紧力

0 引言

在全球能源危机和环境危机日益严重的背景下，风能作为一种清洁的可再生能源越来越多的受到各国政府的重视。风力发电具有装机容量增长空间大，成本下降快，能源永不耗竭等优势，同时可以有效缓解空气污染、水污染和全球气候变暖问题。在各类新能源开发中，风力发电是技术相对成熟、并具有大规模开发和商业开发的发电模式[1]。此外，目前全世界有超过50个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，对风电发展起到了至关重要的作用，风力发电产业已经发展成为初具规模的新兴产业[2]。现在，风力发电在大型工业生产中已经取得较好的应用，并且每年新增的容量达数GW。

风力发电机组叶片(简称风机叶片)是风力发电机组中的关键核心部件，承载着大部分的动态载荷和静态载荷，其结构强度和稳定性对风力发电机组的可靠性起着非常重要的作用[3]。其中叶片的翼型设计、结构形式，直接影响风力发电机组的性能和功率[4]。将叶片根部固定在轮毂上是叶片设计中最关键的地方，因为钢轮毂和制造叶片的材料一般为玻璃纤维增强塑料(GFRP)，它们之间的相关刚度差有数量级的差别，妨碍载荷的平滑传递。通常采用T型螺栓进行连接，螺栓可以沿轴向嵌入叶片的材料中或沿半径方向穿过叶片壳体，但这两种情况中叶片根端应力集中都是不可避免的[5]。对于螺栓固定结构，失效多发生于螺栓而非GFRP叶片，因此叶根连接螺栓的强度分析显得尤为重要。

采用ANSYS有限元软件对叶片根端连接部分建立有限元分析模型，整个建模过程采用参数化建模(即APDL程序)，大大提高建模效率，在ANSYS中进行接触非线性计算，并对叶根连接T型螺栓进行静力分析和强度校核，从而指导叶片根端连接的设计和优化。

1 叶片根端连接模型

目前，风电场中用的较为广泛的2MW风力发电机组复合材料叶片，其叶片根端连接图1所示。

图1 叶片根端连接模型

叶片根部截面形状为圆环形，其外环直径为2200mm，内环直径为2020mm，中心圆直径为2110mm。叶根长度取为1900mm。在叶片根部沿着圆周均匀打孔并安装60根T型螺栓，T型螺栓通过两端螺纹连接变桨轴承和叶片，由插到叶片壳体纵向孔内的钢螺柱，与保持在横向孔内的交叉螺母进行连接。

叶片为玻璃纤维复合材料即玻璃钢，变桨轴承和T型螺栓均为42 CrMo 钢, 其材料主要参数如表1 所示。

表1 玻璃钢及42 CrMo 钢的材料参数

在ANSYS软件中采用APDL建立叶片根端有限元模型，需要的主要参数如表2所示。

表2 叶片根端模型主要参数 单位，mm

2 有限元分析

ANSYS有限元软件是一个多用途的有限元法计算机设计程序。有限元分析作为复杂结构设计的成熟方法，对风机主要承载部件的有限元分析是节约设计成本、降低制造商与投资方风险的有效途径。

2.1 有限元模型

由于叶片根端连接模型、载荷及边界条件具有对称性，故选取整体模型的一半通过APDL建立有限元模型如图2所示。变桨轴承内圈通过T型螺栓与叶片相连，变桨轴承内外圈通过接触单元178建立连接，轴承外圈与轮毂假体之间通过接触单元进行标准接触连接。T型螺栓连接分布如图3所示。

图2 有限元整体模型

图3 T型螺栓分布图

在轮毂假体底部施加六个方向自由度的全约束，由于模型机载荷均对称，所以在模型的分割边界面施加沿坐标轴z方向的水平自由度约束Uz,限制模型在z方向的水平运动。在叶片顶部圆心处建立质量点，用于施加载荷，通过RBE3与顶部节点连接，起到传递载荷的作用。有限元模型的边界条件及约束如图4所示。

图4 有限元模型边界条件及约束

针对本文接触非线性计算，加载方式采用多个载荷步加载：第1载荷步为预紧力加载，第2荷步为预紧力锁紧，第3载荷步为外部载荷加载，每一个载荷步又分为多个子步计算。在每个T型螺栓施加预紧力340kN，施加的外部载荷为最大弯矩大小MZ=7315.7kNm，方向为z轴负方向。

3.2T型螺栓强度分析

连接结构，叶根失效多发生在螺栓连接处，因此对T型螺栓的强度分析尤为重要。在有限元模型中，共有30个T型螺栓，在第2个载荷步作用下螺栓的应力分布如图5所示。螺栓在预紧力的作用下受拉伸长，所有的螺栓表现出相同的应力分布。在第3个载荷步作用下，螺栓应力分布如图6和图7所示。 外部载荷导致受拉侧螺栓在预紧力拉伸的基础上进一步被拉伸，同时应力增加，最大应力发生在受拉侧T型螺栓，为686.422MPa，T型螺栓材料的许用应力为855MPa，故满足T 型螺栓材料42 CrMo 钢的许用应力要求。

图7 T型螺栓最大应力分布图

3 结语

在ANSYS软件中采用APDL进行参数化建立有限元模型。有限元模型在多个载荷步作用下，进行接触非线性计算。针对T型螺栓进行强度分析，确定螺栓应力范围及最大应力，满足螺栓材料42 CrMo钢的许用应力要求，为叶片根端连接的设计、优化改型及选材提供有效的依据及指导。

[1] 郭太英，黎发贵. 从国外风电发展探讨我国风电发展思路[J]. 水电勘测设计，2006，58(2):20-24.

[2] 周鹤良. 我国风力发电产业发展前景与策略[J]. 交流技术与电力牵引，2006(2):4-8，38.

[3] 张晓明. 风力发电复合材料叶片的现状与未来[J]. 纤维复合材料，2006，60(2):60-63.

[4] 潘艺,周鹏展,王进. 风力发电机叶片技术发展概述[J]. 湖南工业大学学报，2007,21(3):48-51.

[5] (美) Tony Burton 等著. 风能技术[M]. 武鑫等译.北京：科学出版社，2007.

Parametric Modeling and Analysis of Blade Root Connection Bolts for Wind Turbine Based on ANSYS

ZHANG Dong-can,WANG dong, ZHANG Qi-ying

(Guo Dian United Power Technology Co.,LTD., Shanghai 200062,China)

ANSYS software parametric design language, APDL, is used to estabish the FEA model of the blade root connection efficiently. The blade root and pitch bearing outer ring are connected by the high strength bolts and the certain amount of preload is exerted on the bolt.Throagh the contact nonlinear calculation in ANSYS, the static analysis and strength check of the blade root connecting bolts and under the combined action of the preload and external load, the help is provided for the blade connecting design and optimization. This method can be used to improve the efficiency of FEA modeling and shorten the design and check cycle of the connecting bolts.

wind turbine blade;parametric design language;blade connecting bolts;preload

张东灿(1985-)，男，山东济宁人，硕士，从事风机设计研发工作。

TH13；TB115.1

A

1671-5276(2014)02-0177-03

2013-01-22