NACA634型风力机叶片三维建模及模态分析

罗春玲

摘要： 叶片作为风力机的重要部件，对其进行合理的设计至关重要。本文使用UG三维软件，完成叶片的三维实体建模；运用有限元方法，选定叶片材料的特征参数，进行叶片的模态分析，确定了叶片的振型模态，并对比分析叶片各阶的振型模态结果。结果显示叶片的主要振动形式为挥舞和摆振，这为大型风力机叶片的设计和优化提供了参考。

Abstract： Since blades are important components of the wind turbine，it is of vital importantance to design reasonable blades. Three dimensional solid model of blades is completed by using three-dimensional UG soft ware. Finite element method is adopted in this paper to select characteristic parameters of blade material，then vibration modal for the blades is analyzed to determine the vibration modal of blades，which results shall be compared with that of blade modal of each rank. Results show that the main vibration forms of blade are flap and lead—lag，which can offer references for the design and optimization of large wind turbine blade.

關键词： NACA634风力机叶片；三维建模；模态分析

Key words： NACA634 wind turbine blade；3D modeling；modal analysis

中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）07-0122-02

0 引言

叶片是风力机的关键部件，风力机在工作时，会受到惯性力，空气动力等叠加作用，且风力机叶片本身刚度不高、展向长，叶片在运行时易出现颤振现象。本文结合NACA634型叶片数据，建立了叶片的三维模型；通过对叶片模态分析，得到了叶片各阶模态，以便对颤振进行分析。

1 风力机叶片三维建模

风力机叶片是一种不规则的三维曲面，沿翼展方向叶片有不同的厚度和弦长，根据叶片数据建立模型中的参数有叶片截面距根部距离、该处截面与翼型有关的厚度和弦长以及安装角。

1.1 叶片的特征参数

本文以NACA63-415风力机叶片为研究对象，分析时采用尽可能多的截面数据，采用的数据越多，建立的三维叶片模型越能精确的反映实体的几何外形特征。

1.2 叶片截面坐标变换

将叶片分割成多个截面空间，每个截面空间的坐标是通过叶片上某一截面的二维图像的坐标为原点、弦线方向为X轴，通过换算得到的，根据NACA634型某个截面的坐标，然后把这些翼型数据进行变换，弦线方向保持不变，坐标原点变换到气动中心。变换如下[1，2]：

重复上述计算，可以得出NACA63-415风力机叶片各个截面特征点的几何空间坐标数据（见表1）。

1.3 建立叶片三维模型

把坐标变换后的数据导入到三维模型软件中[3]，对生成的叶片的精确翼型实体模型进行抽壳处处理，并添加两个5CM厚肋板，叶片的实体模型见图1。

1.4 叶片单元网格划分

通过UG建模软件将建立的叶片模型文件生成IGES格式，导入MSC Patran软件中，进行有限元分析。风力机叶片为中空结构，实际的壳厚度是5CM。每个单元有5个节点，在弹性叶片壳单元中产生52386个单元，12467个节点。

1.5 叶片的材料属性及约束

NACA63-415风力机叶片的表面是玻璃钢复合材料[4]。玻璃钢材料在各方向上的弹性模量相同。玻璃钢叶片的材料参数见表2，轮毂与叶片根部间固定连接。

2 模态分析

2.1 模态分析理论

固有频率和振型是叶片结构分析和设计的重要参数，也是设备故障诊断以及结构性能优化的重要依据。风力机叶片模态分析可以确定风力机叶片的固有频率和振型。

将（10）式展开计算，得到关于稳定结构体的多个自振频率[5]，将系统结构体的自振频率代入式（9），可得到结构体中各自振频率相应的{？字i}，{？字i}称为叶片的振型。

2.2 计算结果分析

对叶片模态分析后部分结果如图2所示，表4从给出了叶片前六阶模态频率及振型，由表可见叶片前四阶振动主要是挥舞振动，从第五阶振型开始，叶片以挥舞振动主，开始有微小的摆振，到第六阶，可以看到明显的挥舞振动和摆振；第六阶振型是叶片挥舞与摆振相叠加。

3 结论

①叶片网格划分是否合理，直接影响求解稳定性，甚至导致结果不收敛，因此，应选择适当大小的叶片网格。

②叶片前四阶的振型是挥舞振动，超过四阶后频率，在叶片摆振的同时夹杂着摆振。

③本文以叶片根部与轮毂之间固定连接为条件展开分析，对于风力机叶片叶根与轮毂之间不完全刚性的结构。叶片的自振频率需要重新分析。

参考文献：

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