风力发电机叶片结构优化和模态分析

芦丽丽 祁文军 陈海霞

摘要：弦长和安装角对风能利用率有很大的影响。以Wilson理论为基础，运用MTALAB 优化工具箱的Fmincon函数，计算出叶片的弦长和安装角，并利用曲线拟合工具箱进行曲线拟合，运用UG建模，之后通过ACP对叶片进行复合材料铺层设计以及模态分析。分析表明：叶片内腔中加入PVC硬质塑料后，使叶片的固有频率能达到基本要求，从而为改善叶片的综合性能提供参考。

关键词：

叶片；优化；复合材料；ACP

DOI：1015938/jjhust201705002

中图分类号： TK83

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2017）05-0007-06

Structural Optimization and Modal Analysis of Wind Turbine Blades

LU Lili1，2，QI Wenjun1，2，CHEN Haixia1，2，WANG Liangying1，2

（1.School of Mechanical Engineering， Xinjiang University， Urumchi 830008， China；

2.State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing Systems Engineering， Xi'an 710049， China）

Abstract：In this paper， based on the theory of Wilson， using function and MTALAB software optimization toolbox， the chord length and twist angle of the blade are calculated， and curve fitting using toolbox， setting model using UG After that， using ACP to complete composite layer design on blade and nature modal Analysis shows that after joining the PVC hard plastic blade in the inner chamber， the natural frequencies of the blade can meet the basic requirements， provide example for improving the comprehensive performance of blade

Keywords：blade； optimizing ；composite material； ACP

收稿日期： 2016-03-02

基金项目： 国家重点实验室开放课题研究基金（sklms2014006）

作者简介：

芦丽丽（1993—），女，硕士研究生；

祁文军（1968—），女，教授；

陈海霞（1988—），男，硕士

0前言

叶片是风力发电机最为复杂和关键的零部件，叶片性能的好坏将会直接影响到风力发电机的效率和使用寿命。目前大型风力发电机的叶片基本上由各种复合材料制成，因此叶片与复合材料技术有着密切的联系。为了实现叶片经济效益的最大化，在叶片结构设计阶段，叶片的模型设计和铺层结构优化设计显得尤为关键。目前大多研究主要集中在叶片的气动性能分析，以及叶片所使用的复合材料的性能问题。国内有很多学者对此均进行了深入研究：汕头大学的李德源与叶枝全研究了风机模态分析的方法和影响因素，运用ANSYS对600kW的叶片进行模态分析，定量地分析了固有频率对复合材料叶片的影响[1]；王博与祁文军利用ANSYS对20kW风机旋转叶片有预应力状态的振动模态分析，得到了其前十阶振动频率和振型，发现实验结果和理论值误差很小，只有-35%，并对其运行时的安全稳定性进行了验证[2]；中国水利电力物资有限公司的蒋维利用建成的大型风力机叶片的振动特性分析装置，用测力法和不测力法对风力机叶片进行模态试验及分析，测试了风力机叶片的模态参数，得到了叶片的振动特性[3]；内蒙古工业大学的邓海龙与孙鹏文从工程实际出发，以某15MW风机叶片为例，研究铺层参数对复合纤维风机叶片性能的影响，在此基础上，对其进行结构优化和强度校核[4]。然而很少有人从叶片内部结构方面对叶片的气动性能进行研究。

本文针对西北地区的常用叶片，利用Wilson设计理论为依据进行建模，并对数据进行非线性优化，Wilson 法是在 Glauert 法基础上做了改进，研究叶尖损失和升阻比对叶片最佳性能的影响[5，6]，目前，气动外形设計与分析仍基于 Wilson理论[7]。将数据导入UG，完成了叶片和内部硬质塑料的三维模型创建。之后运用有限元分析软件ANSYS中的 ACP（ANSYS Composite PrepPost）对叶片进行铺层设计，并对叶片进行模态分析，分析表明叶片具有良好的结构性能，从而为叶片复合材料结构设计方法的研究提供借鉴。

1叶片模型设计

11叶片参数设计

参照国内2MW风力发电机叶片运行参数， 本文的叶片参数如表1所示。

12叶片翼型的选取及相关参数的计算

叶片设计是风力机设计的核心和重点，采用Wilson法对叶片进行设计其叶素的设计公式如下：

风能利用系数：

Cp=8λ20∫λ00b1-aFλ3dλ=8λ0·b1-aFλ4|λ00（1）endprint