一种基于ANSYS的风机叶片的有限元分析

(山东科技大学机械电子工程学院 山东 青岛 266590)

一种基于ANSYS的风机叶片的有限元分析

刘学彬郑伟任保飞赵士英董汉政

(山东科技大学机械电子工程学院山东青岛266590)

利用ANSYS有限元计算软件对叶片进行振动模态及静力分析，计算叶片的固有频率、各阶振型图及应力、应变云图，为避免叶片发生共振、提高叶片使用寿命提供分析方法。通过基于ANSYS对风机叶片进行全新的有限元分析，得到风机叶片的各项属性性质，结构特点，薄弱环节，以及振动节点和其最容易损坏的位置，有利于我们对于新型风机叶片的研发和设计，也有利于对于现有风机叶片的改造和创新，对于提高风机叶片使用效率，使用寿命具有深远意义和影响。

ANSYS；有限元；风机叶片

2008年下半年，鉴于我国风能资源相对充足，以及我国家对“绿色”能源的重视和大力支持，而且风电技术的发展越来越成熟，风使得风电叶片呈现出良好发展势头。风机叶片是风电设备将风能转化成机械能的关键部件，一种复合材料制成的薄壳结构，结构分为根部、外壳、龙骨三部分。本文利用ANSYS有限元计算软件对叶片进行振动模态及静力分析。

因为风机叶片的时刻转动，激震力大部分由叶片传出，所以，不管是风吹过地面的不匀称性和阵风等因素的影响，都将直接作用于叶片上。风机叶片属于弹性元件的范畴，受到的载荷具有交变性和随机性，因此振动是必然发生的事情。为了防止叶片共振疲劳，叶片的动力学分析、振动特性分析变得尤为重要。

风机叶片的动力学主要是通过模态分析法进行研究，简而言之，模型的的正确建立是模态解的精度保障，通过叶片的模态分析，计算其固有频率，特别是低阶频率的计算，从而避免叶片发生共振现象。因此需要建立叶片有限元模型，对模型进行网格划分，经过对模型施加条件得出结果，其中条件包括边界条件和载荷。

通过ANSYS中的网格生成工具，获取叶片的网格模型，进而生成计算所需的网格模型。模型网格的划分是数值模拟过程中最为耗时的部分，网格的质量对结果的产生有很大的影响，因其决定了数值模拟结果精度，甚至决定了数值模拟是否收敛。ANSYS中使用非结构化网格，单元可以任意变形，为了提高求解的精度，可以采用网格优化技术。所以网格的划分非常重要，要注意求解区域出现极度变形的网格、硬点、小角度等问题，从而保证计算的收敛和精度。

根据叶片结构材料特性，通过ANSYS单元库中的Solid95单元类型进行网格划分，得到的有限元模型共有11267个节点，6452个单元，网格划分后要进行条件的约束选择。叶片根部大部分情况下由根部截面经过渡表面到达轮毂，并且选择其为不完全约束，但是如果计算单叶片，需要将其简化为对整个截面选择完全约束。综上，需要对叶片根部截面三个方向位移自由度约束，另一端保持自由状态。

ANSYS程序中的结构静力分析是用来计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，即由于稳态载荷引起的系统或部件的位移、应力、应变和力。同时，结构静力分析还包括计算那些固定不变的惯性载荷以及那些近似等价为静力作用的随时间变化的载荷对结构的影响。

为了简化研究的问题，将外界的作用力简化为气动力以及重力。通过前面建立的网格模型，并定义单元材料属性，以及对模型施加外部载荷、边界条件。经过OLUTION处理器定义分析类型和分析选项，然后经过静力分析选项Static，得出结果并用后处理器POSTI查看结果。在额定工况下，得出了叶片的位移云图(图1)、应力云图(图2)及应变云图(图3)。

图1 叶片位移云图

图2 叶片应力云图

图3 叶片应变云图

根据对计算结果的分析，我们可以发现，如果风机在额定工况下工作，叶片最大位移发生在叶尖处，对于整个风机叶片而言，叶尖处尺寸较小，影响也就不明显，从叶片的应力、应变云图可以发现，叶片中最大应力发生在叶片根部。

通过分析可知引起振动发生的原因，一般有以下几种：(1)由于转轴与风向偏斜，各个叶片上的速度矢量三角形将不相等；(2)风速在风轮扫略面上的不均匀分布以及风速的瞬时变化；(3)风轮旋转时各叶片所受重力的方向发生变化；(4)风向的变化引起风轮轴做调向转动，从而使叶片内部产生陀螺应力。

结论：如果想要减少叶片的振动概率，必须保证叶片的固有频率不能与风轮转动频率重合，防止发生共振现象。同时，需要防止叶片的固有频率与其他部件的固有频率产生共振，也要避免其与电机的转动频率发生共振。最后要对叶片的性能合理设计、合理优化，这其中包括叶片内部质量、叶片刚度和阻尼、改善叶片的变形等，使得叶片工作转速范围与叶片产生共振的转速范围不存在重合部分。

[1]江见鲸.有限元法及其应用[M].机械工业出版社，2012

[2]张应迁，张洪才.ANSYS有限元分析从入门到精通[M].人民邮电出版社出版，2007

[3]闫国军.叶片式泵风机原理及设计[M].哈尔滨工业大学出版社，2009

[4]靳交通等.复合材料风电叶片有限元刚度分析[J].武汉理工大学学报，2009

刘学彬(1990-)，男，汉族，学历硕士研究生在读，山东科技大学，研究方向机器人。