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基于ANSYS建模的风力机叶片模态分析及稳定性分析

赵娜，李军向，李成良

（中材科技风电叶片有限公司，北京102101）
摘要：以1MW水平轴风力机叶片为例，应用ANSYS有限元软件，通过APDL参数化语言实现风力机叶片的有限元建模。
模型建好后可以直接设置单元类型、材料参数、剖分网格，进行有限元计算。本文主要是利用ANSYS建模技术，对风力机叶
片进行模态分析及稳定性分析。
关键字：风力机叶片，ANSYS建模，模态分析，稳定性分析

近年来，“能源危机”越来越引起人们的重视，用定义实常数的方式来模拟材料的性能、铺层角和
能源短缺使得可再生能源得到空前发展。风能作为铺层厚度。之后选择合适的单元尺寸进行网格划分，
取之不尽用之不竭的可再生能源在近几年得到了迅最终形成叶片的有限元模型。该模型共有21295个
速发展，世界上不少国家都把开发利用风能作为一节点，共划分了7414个高精度的壳单元。如图1（B）
项能源政策。风机叶片是风力机的关键部件之一，
目前大型风机叶片的材料主要是轻质高强、耐腐蚀
图1‐A为叶片的几何模型图
性好、具有可设计性的复合材料，由于叶片采用复
图1‐B为叶片的有限元模型图
合材料铺层设计，结构异常复杂，单纯的经典理论
图1‐C为网格的局部放大
解析计算已经难以精确计算出叶片的强度和刚度，
为此需要进行有限元的仿真模拟。本文采用ANSYS
1‐A
的参数化语言APDL直接建模，然后赋材料属性、划
分网格，进行叶片模态分析，较好的模拟了叶片的
真实结构，计算了叶片在自由状态下的固有频率和
在20RPM下的预应力频率。最后加载极限载荷校
核了叶片各截面稳定性。
1‐C
1叶片模型的建立1‐B
1.1建立几何模型图1叶片的几何模型和有限元模型
叶片截面的翼型数据通过CATIA导出，结合弦
2模态分析
长和扭转角计算出实际叶片截面的坐标。在ANSYS
的程序中形成如下格式2.1理论依据
k,,838.309405,-83.92648,0通用运动方程
k,,771.63901,-338.19972,0
[M]{uCuKuFt}++[]{}[]{}={()}
根据1MW叶片翼型的特点，将叶片分为45个截（2.1）
面，每个截面上有86个关键点。通过Bspline命令假定自由振动并忽略阻尼：
将每个翼型上的关键点连成18条曲线，然后将叶片
[Mu]{}+[Ku]{}=0
翼型上的曲线通过纵向直线连接。最后通过Askin（2.2）
命令建立曲面，每两个翼型截面之间就有18个曲
[M][K]{u}
面，建完所有曲面就生成了叶片蒙皮的几何模型。其中、是叶片的质量和刚度矩阵，为节
如图1（A），再布置上主梁、腹板，形成整体叶片点位移向量。
的几何模型。(2.2)的解为如下简谐运动
1.2建立有限元模型
{uU}={}sinωt
在单元类型的选择上，根据叶片特点，主要采（2.3）
用shell91和shell99单元，其中shell91单元用
{U}ω
于模拟夹芯结构。在定义材料性能参数时，主要采式中，为模态形状(无量纲位移)，为圆频率。

(2.3)代如(2.2)得模态阶数12345
()0KMU−=ω2振型挥舞摆振挥舞摆振挥舞
[][]{}{}（2.4）
自然频率
0.9871.7663.1646.2586.642
（无转动）
方程(2.4)中{U}要有非0解，系数行列式为0，得
预应力频率
1.0891.8143.2746.3106.742
det(KM−=λ)0（转速20rpm）
[][]（2.5）

2
其中，λ=ω，上述行列式为λ的多项式，有根
模态阶数678910

振型扭转挥舞摆振挥舞扭转
λ1λ2λn
,,...,。自然频率
10.27310.69313.96215.119.263
（无转动）
λi
代入得方程预应力频率
10.30110.79014.01415.21519.333
()0KMU−=λ（转速20rpm）
[]ii[]{}{}，i=1,2,…,n（2.6）
2.2.3小结
{U}f=ω2π
可以求得i，即模态．ii为系统固有频率。通过对1MW叶片模态计算，结论如下：
2.2计算结果1第一阶振动形式主要为挥舞，第二阶振动形
2.2.1无预应力自然模态分析式主要为摆振，这说明弯曲振动（包括挥舞和摆振）
频率较低，是风力机叶片的主要振动形式。叶片最
低阶固有频率f1=0.987Hz=59.22rpm远大于叶片启
动和正常工作转速（12-21.5rpm），因此启动过程与
正常工作时叶片不会出现共振现象；
2从前10阶模态计算结果可见，前5阶模态都
为弯曲振动，仅第6和第10阶出现扭转振动，说明
叶片抗扭转振动的能力较强；
3风力机叶片在额定转速时的模态频率比静止
时的固有频率要高，这是