(山東科技大學機械電子工程學院 山東 青島 266590)

一種基于ANSYS的風機葉片的有限元分析

劉學彬鄭偉任保飛趙士英董漢政

(山東科技大學機械電子工程學院山東青島266590)

利用ANSYS有限元計算軟件對葉片進行振動模態(tài)及靜力分析，計算葉片的固有頻率、各階振型圖及應力、應變云圖，為避免葉片發(fā)生共振、提高葉片使用壽命提供分析方法。通過基于ANSYS對風機葉片進行全新的有限元分析，得到風機葉片的各項屬性性質(zhì)，結(jié)構(gòu)特點，薄弱環(huán)節(jié)，以及振動節(jié)點和其最容易損壞的位置，有利于我們對于新型風機葉片的研發(fā)和設計，也有利于對于現(xiàn)有風機葉片的改造和創(chuàng)新，對于提高風機葉片使用效率，使用壽命具有深遠意義和影響。

ANSYS；有限元；風機葉片

2008年下半年，鑒于我國風能資源相對充足，以及我國家對“綠色”能源的重視和大力支持，而且風電技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，風使得風電葉片呈現(xiàn)出良好發(fā)展勢頭。風機葉片是風電設備將風能轉(zhuǎn)化成機械能的關(guān)鍵部件，一種復合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分為根部、外殼、龍骨三部分。本文利用ANSYS有限元計算軟件對葉片進行振動模態(tài)及靜力分析。

因為風機葉片的時刻轉(zhuǎn)動，激震力大部分由葉片傳出，所以，不管是風吹過地面的不勻稱性和陣風等因素的影響，都將直接作用于葉片上。風機葉片屬于彈性元件的范疇，受到的載荷具有交變性和隨機性，因此振動是必然發(fā)生的事情。為了防止葉片共振疲勞，葉片的動力學分析、振動特性分析變得尤為重要。

風機葉片的動力學主要是通過模態(tài)分析法進行研究，簡而言之，模型的的正確建立是模態(tài)解的精度保障，通過葉片的模態(tài)分析，計算其固有頻率，特別是低階頻率的計算，從而避免葉片發(fā)生共振現(xiàn)象。因此需要建立葉片有限元模型，對模型進行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過對模型施加條件得出結(jié)果，其中條件包括邊界條件和載荷。

通過ANSYS中的網(wǎng)格生成工具，獲取葉片的網(wǎng)格模型，進而生成計算所需的網(wǎng)格模型。模型網(wǎng)格的劃分是數(shù)值模擬過程中最為耗時的部分，網(wǎng)格的質(zhì)量對結(jié)果的產(chǎn)生有很大的影響，因其決定了數(shù)值模擬結(jié)果精度，甚至決定了數(shù)值模擬是否收斂。ANSYS中使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元可以任意變形，為了提高求解的精度，可以采用網(wǎng)格優(yōu)化技術(shù)。所以網(wǎng)格的劃分非常重要，要注意求解區(qū)域出現(xiàn)極度變形的網(wǎng)格、硬點、小角度等問題，從而保證計算的收斂和精度。

根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)材料特性，通過ANSYS單元庫中的Solid95單元類型進行網(wǎng)格劃分，得到的有限元模型共有11267個節(jié)點，6452個單元，網(wǎng)格劃分后要進行條件的約束選擇。葉片根部大部分情況下由根部截面經(jīng)過渡表面到達輪轂，并且選擇其為不完全約束，但是如果計算單葉片，需要將其簡化為對整個截面選擇完全約束。綜上，需要對葉片根部截面三個方向位移自由度約束，另一端保持自由狀態(tài)。

ANSYS程序中的結(jié)構(gòu)靜力分析是用來計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應，即由于穩(wěn)態(tài)載荷引起的系統(tǒng)或部件的位移、應力、應變和力。同時，結(jié)構(gòu)靜力分析還包括計算那些固定不變的慣性載荷以及那些近似等價為靜力作用的隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)的影響。

為了簡化研究的問題，將外界的作用力簡化為氣動力以及重力。通過前面建立的網(wǎng)格模型，并定義單元材料屬性，以及對模型施加外部載荷、邊界條件。經(jīng)過OLUTION處理器定義分析類型和分析選項，然后經(jīng)過靜力分析選項Static，得出結(jié)果并用后處理器POSTI查看結(jié)果。在額定工況下，得出了葉片的位移云圖(圖1)、應力云圖(圖2)及應變云圖(圖3)。

圖1 葉片位移云圖

圖2 葉片應力云圖

圖3 葉片應變云圖

根據(jù)對計算結(jié)果的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，如果風機在額定工況下工作，葉片最大位移發(fā)生在葉尖處，對于整個風機葉片而言，葉尖處尺寸較小，影響也就不明顯，從葉片的應力、應變云圖可以發(fā)現(xiàn)，葉片中最大應力發(fā)生在葉片根部。

通過分析可知引起振動發(fā)生的原因，一般有以下幾種：(1)由于轉(zhuǎn)軸與風向偏斜，各個葉片上的速度矢量三角形將不相等；(2)風速在風輪掃略面上的不均勻分布以及風速的瞬時變化；(3)風輪旋轉(zhuǎn)時各葉片所受重力的方向發(fā)生變化；(4)風向的變化引起風輪軸做調(diào)向轉(zhuǎn)動，從而使葉片內(nèi)部產(chǎn)生陀螺應力。

結(jié)論：如果想要減少葉片的振動概率，必須保證葉片的固有頻率不能與風輪轉(zhuǎn)動頻率重合，防止發(fā)生共振現(xiàn)象。同時，需要防止葉片的固有頻率與其他部件的固有頻率產(chǎn)生共振，也要避免其與電機的轉(zhuǎn)動頻率發(fā)生共振。最后要對葉片的性能合理設計、合理優(yōu)化，這其中包括葉片內(nèi)部質(zhì)量、葉片剛度和阻尼、改善葉片的變形等，使得葉片工作轉(zhuǎn)速范圍與葉片產(chǎn)生共振的轉(zhuǎn)速范圍不存在重合部分。

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劉學彬(1990-)，男，漢族，學歷碩士研究生在讀，山東科技大學，研究方向機器人。