復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片分布力函數(shù)加載方法研究

復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片分布力函數(shù)加載方法研究

0載荷計(jì)算及仿真建模葉片是風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的重要部件。在受風(fēng)影響的有限時(shí)間內(nèi)，需要盡可能多地利用可靠有效的設(shè)備在有限的時(shí)間內(nèi)最大限度地獲得風(fēng)。各國風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐表明,葉片是最易出現(xiàn)故障的部位。葉片結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞有材料強(qiáng)度不夠和結(jié)構(gòu)屈曲兩種基本形式。風(fēng)力機(jī)葉片所受的載荷十分復(fù)雜,有超過1000種工況,需從中篩選出葉片結(jié)構(gòu)受載最嚴(yán)重的極限工況進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)校核。風(fēng)力機(jī)載荷計(jì)算軟件Bladed所給載荷為單點(diǎn)力和力矩的三分量,由于力矩是由力引起的,簡單將所給力和力矩同時(shí)施加于葉片模型會(huì)造成重復(fù)加載。傳統(tǒng)的葉片模型加載方式為多點(diǎn)約束的MPC加載,而風(fēng)力機(jī)葉片所受真實(shí)載荷為分布載荷,因此本文給出一種新型的分布力函數(shù)加載方法,與通過多點(diǎn)約束的加載方式作用于節(jié)點(diǎn)上的葉片結(jié)構(gòu)特性相比較,采用分布力函數(shù)表達(dá)式加載能真實(shí)模擬葉片的受力特性,為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)校核提供了一種新的加載方法。本文假設(shè)葉片根部采用預(yù)埋金屬螺桿與輪轂連接。這樣的葉片根部連接被認(rèn)為是剛性的,根部所在節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度被固定,整個(gè)葉片簡化為懸臂梁模型。1u3000葉根坐標(biāo)系和剪力大型風(fēng)力機(jī)葉片受力復(fù)雜,承受著分布的氣動(dòng)載荷、慣性載荷、彈性載荷以及發(fā)電機(jī)的集中載荷,這些載荷使葉片發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。在外載作用下可將葉片的受力等效為葉片截面坐標(biāo)系下的載荷:彎矩MXS和MYS,扭矩MZS,剪力FXS和FYS以及軸向力FZS,如圖1所示。作用在葉片上的集中載荷由風(fēng)力機(jī)計(jì)算軟件Bladed得到,這些集中載荷在本文中將轉(zhuǎn)化為分布載荷。Bladed輸出的葉根坐標(biāo)系載荷受葉片變槳角的影響,不同工況或同一工況下的不同時(shí)刻,風(fēng)力機(jī)葉片的槳距角不同。因此,Bladed直接輸出的葉根坐標(biāo)系下的載荷隨時(shí)間變化。由于葉片各截面的扭轉(zhuǎn)角θ不同,因此葉片揮舞-擺振坐標(biāo)系下的載荷受葉片各截面扭轉(zhuǎn)角的影響。本文將Bladed輸出的揮舞-擺振坐標(biāo)系下的剪力和彎矩轉(zhuǎn)化為葉根坐標(biāo)系下的剪力和彎矩:式中,FxB、FyB和MxB、MyB———葉片葉根坐標(biāo)系下的剪力和彎矩;Ff、Fe和Mf、Me———葉片揮舞擺振坐標(biāo)下的剪力和彎矩。2風(fēng)力機(jī)葉片加載方式2.1多點(diǎn)約束下的載荷本文以某款800kW風(fēng)力機(jī)葉片為例,根據(jù)最大揮舞彎矩對(duì)應(yīng)的極限載荷,按照力等效的原則將葉根坐標(biāo)系下的集中力轉(zhuǎn)化為葉片各截面多點(diǎn)約束的集中力載荷ΔF'xB、ΔF'yB、ΔF'zB加載在有限元模型上。Bladed輸出扭矩MzB根據(jù)俯仰力矩系數(shù)計(jì)算得到,所以應(yīng)將MzB轉(zhuǎn)化為各截面的扭矩ΛM'zB、加載在有限元模型上。根據(jù)MPC加載的結(jié)果提取葉根的力和力矩,與Bladed輸出的葉根力和力矩相比較,二者誤差較小,如表1所示。2.2葉片的分布力加載葉片的氣動(dòng)載荷是以分布力的形式作用在葉片表面上的,為了更好地模擬葉片的真實(shí)受力,本文給出一種分布力加載的方法。同樣根據(jù)最大揮舞彎矩對(duì)應(yīng)的極限載荷,按照力等效的方法轉(zhuǎn)化為分布力載荷。2.2.1分布力函數(shù)擬合本文將葉根坐標(biāo)系下剪力轉(zhuǎn)化為分布力,應(yīng)用三次函數(shù)分別擬合葉片各截面的剪力FxB、FyB,擬合函數(shù)的邊界條件為葉尖位置的剪力為零。擬合函數(shù)的表達(dá)式為:對(duì)擬合函數(shù)表達(dá)式求導(dǎo),得到x方向和y方向的分布力函數(shù)f(x)、f(y)。為檢驗(yàn)分布力的正確性,根據(jù)分布力計(jì)算葉根坐標(biāo)系下葉片各截面的剪力和彎矩。按公式(3)沿葉片展向進(jìn)行積分,得到分布力計(jì)算的葉片截面剪力和彎矩,按分布力求出的剪力和彎矩與Bladed輸出的剪力和彎矩相比趨勢一致,且誤差較小,如圖2、圖3所示。2.2.2葉根充放電約束與加載對(duì)x、y方向的剪力Fx、Fy沿展向進(jìn)行分布力轉(zhuǎn)化后,還需對(duì)其進(jìn)行弦向分布處理才能作用于葉片曲面上。弦向應(yīng)該根據(jù)翼型壓力分布來確定分布力函數(shù)。通過CFD計(jì)算軟件Fluent計(jì)算翼型壓力分布(圖4),同時(shí)可得到翼型表面壓力分布數(shù)值和壓力分布函數(shù)。根據(jù)翼型CFD計(jì)算結(jié)果可看出翼型弦向的壓力分布近似為二次函數(shù)的分布(如圖5所示)。本文根據(jù)翼型壓力分布函數(shù)變化趨勢,假設(shè)弦向分布力函數(shù)q(t)為二次函數(shù),此二次函數(shù)滿足以下3個(gè)條件:q(t)沿弦向積分合力與翼型剪力平衡;q(t)沿弦向積分取彎矩與翼型剪力到前緣的彎矩平衡;q(t)沿弦向分布的邊界條件為尾緣為0。通過計(jì)算可得翼型弦向分布力函數(shù)。本文根據(jù)葉片展向和弦向分布力函數(shù)表達(dá)式,應(yīng)用有限元軟件MSC.Nastran,對(duì)葉片進(jìn)行約束與加載。將葉片展向的分布力函數(shù)f(x)、f(y)和沿弦向的分布力函數(shù)q(t),以場加載的形式作用在整個(gè)葉片蒙皮單元上。將葉片離心力ΔFzB和扭矩ΔMzB以totalload形式均勻加載在葉片各截面節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)分布力加載的結(jié)果,提取葉片葉根的力和力矩,同時(shí)與Bladed輸出的葉根力和力矩比較,誤差結(jié)果見表2。由于力的作用點(diǎn)和翼型的壓力中心不重合,x和y方向的分布力產(chǎn)生附加扭矩MzB。而Bladed輸出的扭矩,是由翼型俯仰力矩系數(shù)得到的。所以,兩者差別較大。3分辨率與分析本文針對(duì)800kW風(fēng)力機(jī)葉片有限元模型,根據(jù)最大揮舞彎矩極限載荷,分別由MPC加載和分布力加載計(jì)算葉片撓度、靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性。3.1mpc多點(diǎn)約束加載作用下葉片撓度比較在MPC加載和分布力加載作用下,葉片撓度為葉尖最大變形量。MPC多點(diǎn)約束加載作用下葉片撓度為2.62m,分布力加載作用下葉片撓度為2.70m,兩種加載方式下葉片撓度較接近。從云紋分布來看葉片在兩種加載方式作用下變形合理。3.2材料鋪層結(jié)構(gòu)對(duì)材料應(yīng)力的影響靜強(qiáng)度分析的關(guān)鍵是應(yīng)力計(jì)算,包括風(fēng)力機(jī)葉片各種鋪層材料在各種極限工況下的應(yīng)力。本文針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片有限元模型分別在兩種加載方式下計(jì)算葉片強(qiáng)度特性。葉片主梁為主要承力結(jié)構(gòu),承載葉片的大部分彎曲載荷,主梁采用單向程度較高的玻纖織物增強(qiáng),以提高主梁的強(qiáng)度及剛度。葉片蒙皮和腹板蒙皮由雙向玻纖織物增強(qiáng),以提高蒙皮的剪切強(qiáng)度,本文在建層合板模型中,將±45°雙軸布分解為+45°玻纖布和-45°玻纖布分別設(shè)定鋪層,鋪層方向?yàn)?45°和-45°,材料屬性采用0°單向布對(duì)應(yīng)的屬性。圖6所示為葉片主梁x方向的應(yīng)力云圖。兩種加載方式下葉片靜強(qiáng)度的各層應(yīng)力云圖很相似,應(yīng)力極值不同,分布力加載的應(yīng)力略大于MPC加載時(shí)的應(yīng)力。葉片和腹板外蒙皮+45°玻纖布的鋪層方向?yàn)?45°,應(yīng)該將x,y方向的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為纖維方向的應(yīng)力,與0°玻纖布的強(qiáng)度比較。應(yīng)力轉(zhuǎn)軸公式如式(4)。葉片殼體各鋪層均為正交各向異性材料,與各向同性材料相比,各向異性材料最大作用應(yīng)力并不一定對(duì)應(yīng)材料的危險(xiǎn)狀態(tài),因此不能采用各向同性材料的強(qiáng)度理論。要準(zhǔn)確判斷正交各向異性材料的強(qiáng)度,應(yīng)該根據(jù)材料主方向上的應(yīng)力,通過蔡-吳失效準(zhǔn)則或Hill-蔡強(qiáng)度理論判斷材料強(qiáng)度。將各種鋪層材料的輸出應(yīng)力代入蔡-吳失效準(zhǔn)則和Hill-蔡強(qiáng)度理論,滿足強(qiáng)度要求。3.3葉片屈曲分析MSC.Nastran中特有的特征值抽取算法可精確判斷出臨界失穩(wěn)點(diǎn),給出屈曲因子。MSC.Nastran可根據(jù)需要算出N階屈曲,最低階屈曲載荷就是屈曲極限載荷。本文根據(jù)葉片線性屈曲的前三階模態(tài)來研究葉片的屈曲強(qiáng)度。屈曲載荷計(jì)算公式如式(5):式中,Pa———葉片所受到的實(shí)際載荷,它是所有作用在葉片上的載荷的綜合效果。因?yàn)樽畹碗A屈曲模態(tài)的屈曲因子Factor1=1.2438>1,即Pc>Pa,說明屈曲載荷大于實(shí)際載荷,且實(shí)際載荷已乘以1.35的載荷安全系數(shù),所以葉片結(jié)構(gòu)在極限載荷作用下滿足屈曲分析要求。兩種加載方式下,葉片的各階屈曲應(yīng)圖很相近,屈曲危險(xiǎn)點(diǎn)相同。4葉片應(yīng)力分析本文根據(jù)最大揮舞彎矩對(duì)應(yīng)的極限載荷,給出一種分布力的加載方式,通過葉片有限元模型分析撓度、靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性,同時(shí)與MPC多點(diǎn)約束加載結(jié)果相比較。從葉片的撓度分析來看,兩種加載方式的撓度變化趨勢基本相同,分布力的葉尖撓度略大;分析葉片主梁、葉片和腹板外蒙皮+45°鋪層的應(yīng)力,兩種加載方式下,葉片的應(yīng)力分布和極限應(yīng)力的位置基本相同,應(yīng)力極值相差很小,分布力加載的應(yīng)力水平略高于MPC多點(diǎn)約束加載時(shí)的應(yīng)力;葉片屈曲分析表明,兩種加載方式下,葉片的前三階屈曲因子均大