李秋生，王青青

（河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片的有限元建模

李秋生，王青青

（河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

給出了直接應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片建立有限元模型的方法，介紹了通過ANSYS的GUI操作界面的建模過程及步驟。直接用ANSYS建立模型避免了Pro/E、Solidworks、UG等三維軟件與有限元軟件相互轉(zhuǎn)化的過程中數(shù)據(jù)丟失，實(shí)體失真等現(xiàn)象，更真實(shí)更準(zhǔn)確地反映了復(fù)合材料葉片的實(shí)際結(jié)構(gòu)性能。

ANSYS；有限元建模；風(fēng)力機(jī)葉片；復(fù)合材料

0 前言

在當(dāng)今能源短缺的情況下，風(fēng)能作為一種環(huán)?？沙掷m(xù)能源受到越來越多的關(guān)注。風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)的葉片是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的重要組成部分，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，因此風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)是極為重要的?，F(xiàn)在的風(fēng)力機(jī)葉片的尺寸需要向大型化發(fā)展，而木材與金屬等單一材料本身的特性又會(huì)限制這一發(fā)展。故需要尋找新的材料來滿足葉片的要求。復(fù)合材料性能擁有更強(qiáng)的力學(xué)性能以及更好的耐酸堿、耐高溫等性能，所以現(xiàn)在尺寸較大的葉片都采用復(fù)合材料。

大型復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片的外形結(jié)構(gòu)和鋪層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且存在過渡層和夾芯結(jié)構(gòu)，這就增加了建模的難度。ANSYS軟件是以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件，其中殼單元可最多設(shè)置250左右的鋪層，可較好地反映復(fù)合材料的真實(shí)情況。利用ANSYS軟件可直接建立葉片的模型，并能較準(zhǔn)確地模擬其真實(shí)結(jié)構(gòu)。為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、力學(xué)特性分析奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 葉片的實(shí)體建模

風(fēng)力機(jī)葉片的翼型由飛機(jī)的翼型系類組成，分為常用翼型和通用翼型。常用的翼型有NACA系列的空翼型；專用翼型有SERI及NREL系列、RIS?—A系列和FFA—W系列翼型族。專用翼型的NREL翼型比常用的NACA翼型有更高的升阻比，更高的捕風(fēng)能力，使得風(fēng)能源的利用率得到很大地提高[1]。選擇專用翼型NREL系列的S821翼型作為實(shí)例進(jìn)行分析具有更好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1.1 翼型數(shù)據(jù)的處理

查閱相關(guān)資料可知S821翼型的主要技術(shù)數(shù)據(jù)[2]：

上述這些數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一系列的變化，才可以得到在ANSYS中建模所需的各個(gè)截面在空間實(shí)際位置的空間數(shù)據(jù)?，F(xiàn)將以前緣為坐標(biāo)原點(diǎn)的原始翼型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以翼型氣動(dòng)中心為原點(diǎn)的二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)化公式如下：

其中：(x1,y1)為以氣動(dòng)中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)；

(x0,y0)為獲得的原始坐標(biāo)；

(x,y)為氣動(dòng)中心。

將以原點(diǎn)為中心的二維坐標(biāo)(x1,y1)轉(zhuǎn)化為空間實(shí)際位置的坐標(biāo)(x,y,z)，轉(zhuǎn)化后的坐標(biāo)值，可由以下公式計(jì)算得出。轉(zhuǎn)化公式如下：

式中：α為扭轉(zhuǎn)角，L為弦長。

1.2 創(chuàng)建葉片的各個(gè)葉素輪廓線

（1）將EXCEL計(jì)算[3]出的每個(gè)葉素關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)保存為文本文件（*.txt）的格式，并且要注意的是標(biāo)點(diǎn)符號(hào)必須是英文狀態(tài)下的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。格式如下所示：

（2）打開ANSYS軟件，進(jìn)入GUI操作界面并定義工作文件名和工作標(biāo)題，菜單“Preproces?sor＞Modeling＞Create＞Keypoints”，再點(diǎn)擊菜單“File＞Read input from”導(dǎo)入（1）中保存的文本文件，文件中的各點(diǎn)就以Keypoint的形式被導(dǎo)入[4]，如圖1。

（3）點(diǎn)擊菜單“Preprocessor＞Modeling＞Cre?ate＞Lines＞Splines＞Splinesthru KPs” 在 彈 出A-Spline對(duì)話框中，依次輸入各個(gè)截面的Keypoint的序號(hào)然后點(diǎn)擊OK，這就繪制出翼型的各個(gè)葉素的外形輪廓線，如圖2所示。

1.3 創(chuàng)建葉片表面

圖1 翼型的關(guān)鍵點(diǎn)

圖2 翼型的輪廓線

因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)葉片的蒙皮材料是非等厚度的復(fù)合材料鋪層，所以整個(gè)葉片在鋪層結(jié)構(gòu)和厚度都不一樣。為便于以后設(shè)置材料參數(shù)，在建立葉片表面時(shí)應(yīng)該考慮到這點(diǎn)。通過“Pre?processor＞Modeling＞Create＞Lines＞Straight Line”建立葉片中相同部分的邊界線，如圖3，再通過“Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Arbitrary＞By Line”操作分別創(chuàng)建若干小區(qū)域，從而使這些小區(qū)域拼接成整個(gè)蒙皮表面。因?yàn)樵贏NSYS中有特殊的殼單元，故無需將葉片三維實(shí)體化。創(chuàng)建的表面如圖4。然后再運(yùn)用相同的建模方式建立葉片的過渡區(qū)域和葉根部分。

1.4 添加葉片主梁結(jié)構(gòu)

葉片內(nèi)里由輕質(zhì)木材或泡沫塑料制成，它決定了葉片總體外形。這部分是一個(gè)沿著葉片長度方向、長管狀的梁，也被稱作主梁。主梁結(jié)構(gòu)由主梁凸緣和主梁腹板構(gòu)成。制造主梁的材料也隨著葉片尺寸的增大，從過去的鋁合金發(fā)展到用碳-玻璃纖維混合的復(fù)合材料。在建立主梁時(shí)，需先確定主梁的位置，用“Preprocessor＞Modeling＞ Create＞Keypoints”在各個(gè)葉素截面上建立相對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，然后再通過“Preprocessor＞Modeling＞Create＞Lines＞Lines＞Overlaidon Area”繪制出主梁與蒙皮的相交線，最后用“Areas＞Arbitrary＞By Lines”命令建立腹板的平面。主梁凸緣用相同的方法建立即可。一般對(duì)于由泡沫塑料等填充材料在建模時(shí)可以不予考慮。但如果要建立非常精確的模型時(shí)以Volume形式填充[5]，并視為各向同性材料。此過程建立的結(jié)果圖，如圖5，圖6所示。

圖3 翼型的線框圖

圖4 翼型的表面

圖5 添加主梁的部分圖

圖6 葉片整體圖

2 設(shè)置葉片材料參數(shù)

復(fù)合材料相對(duì)于單一材料有很大的優(yōu)越性。其優(yōu)點(diǎn)有：很高的比剛度、質(zhì)量輕、耐酸堿、耐高溫等[6]。在ANSYS軟件中也提供了一種特殊的層單元來模擬復(fù)合材料，利用這一特點(diǎn)就可以進(jìn)行任意的跟復(fù)合材料有關(guān)的參數(shù)設(shè)置及分析。

2.1 定義單元類型

ANSYS中用于創(chuàng)建復(fù)合材料模型的單元有：SHELL99、SHELL91、SHELL181、SOLSH190、SOLID46、SOLID186、SOLID191七個(gè)單元[7]。每個(gè)單元都有各自的特點(diǎn)，可根據(jù)自己的需要定義單元類型。本文通過菜單“Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete”定義為SHELL99單元。再通過“Preprocessor＞Real Constants＞Add/Edit/De?lete”中定義材料的鋪層結(jié)構(gòu)（MAT、THETA、TK）如圖7所示。

2.2 定義材料性能參數(shù)

圖7 葉片鋪層結(jié)構(gòu)

因?yàn)閺?fù)合材料是正交各向異性材料，故通過菜單“Preprocessor＞Material Props＞Material Models/ Structural/Linear/Elastic/Orthotropic”定義相應(yīng)相關(guān)的材料參數(shù)?；谥皠?chuàng)建的模型是由若干小區(qū)域拼接而成，這些已經(jīng)定義的材料是屬于建好模型的哪一部分，由于ANSYS本身無法做到智能分配，故需要將這些物理量人為地分配給模型的相應(yīng)部分。通過“Preprocessor＞Meshing＞Mesh Attri?butes＞Picked Areas”將相應(yīng)的單元、材料等編號(hào)指定給相應(yīng)的面。

3 葉片模型網(wǎng)格劃分

通過“Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool”進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖8。

圖8 葉片的網(wǎng)格劃分

需要注意的是，通常風(fēng)力機(jī)葉片的模型較大較復(fù)雜，劃分網(wǎng)格時(shí)，在滿足精度的條件下，適當(dāng)設(shè)置較大的單元邊長尺寸，這樣可減少劃分網(wǎng)格時(shí)間，提高效率。劃分好網(wǎng)格后就可進(jìn)行葉片的其他分析，如力學(xué)特性的分析。

4 結(jié)束語

本文通過ANSYS軟件的GUI操作界面，直接對(duì)復(fù)合材料的風(fēng)力機(jī)葉片建立了實(shí)體模型，避免了Pro/E、Solidworks、UG等三維軟件與有限元軟件相互轉(zhuǎn)化的過程中數(shù)據(jù)丟失、實(shí)體失真等現(xiàn)象。利用SHELL99單元更真實(shí)地模擬了復(fù)合材料葉片的實(shí)際結(jié)構(gòu)。通過實(shí)際應(yīng)用，證明此方法切實(shí)可行，可在復(fù)合材料的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)分析中推廣應(yīng)用。

［1］陳培，杜綿銀，劉杰平.風(fēng)力機(jī)專用翼型發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵氣動(dòng)問題分析［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（2）：36-40.

［2］ NREL.NWTC Information Portal［EB/OL］.http：// wind.nrel.gov/airfoils/Shapes/S821_Shape.html.2009.

［3］陳家權(quán)，楊新彥.風(fēng)力機(jī)葉片立體圖的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2006，23（4）：37-40.

［4］林海晨.風(fēng)力機(jī)葉片的有限元建模［J］.綿陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，26（8）：43-47.

［5］張軍，武美萍.大型風(fēng)力機(jī)葉片有限元建模研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2013，42（4）：24-27.

［6］陳紹杰，申振華，徐鶴山.復(fù)合材料與風(fēng)力機(jī)葉片［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2008（2）：42-46.

［7］張朝暉.ANSYS12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Finite Element Modeling of Composite Wind Turbine

LI Qiu-sheng，WANG Qing-qing
（School of Electrical and Mechanical Engineering of Hebei University of Engineering，Handan056038，China）

This thesis introduces how to create a finite element modelling of large wind turbine blade，manufactured from composite materials，and elaborates these concrete steps by using GUI’s command.This method avoids the data loss and distortion phenomenon in the process of transformation.In addition，the model created directly by ANSYS can more accurately reflect the real structure of the wind turbine blade.

ANSYS；finite element modeling；wind turbine blade；composite materials

TP391

：A

：1009－9492(2014)10－0025－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.007

李秋生，男，1959年生，河北邯鄲人，碩士，教授。研究領(lǐng)域：礦山機(jī)械的研究和開發(fā)。已發(fā)表論文50篇。

(編輯：阮 毅)

2014－06－04