大型复合材料风电叶片整体刚度分析方法.docx

大型复合材料风电叶片整体刚度分析方法基金项目:国家863项目(编号:2007AA03Z563),湖南省重大科技专项(编号:No.2009FJ1002).
第一作者:靳交通(1980.9-),工学硕士,主要从事复合材料风电叶片结构设计工作.
Email:[e-mail]

靳交通1，彭超义2，冯学斌1，曾竟成2
（1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲，412007；2.国防科学技术大学，湖南长沙，410073）
摘要：通过大型通用三维设计软件PROE建立了兆瓦级风电叶片三维模型，将所建立的三维模型导入到通用有限元分析软件ANSYS中进行有限元分析。采用壳单元shell181模拟风电叶片复合材料特性，进行模态分析和静力分析。模态分析与静力分析均表明，风电叶片在摆振和挥舞两个方向上的一阶固有频率以及挠度的分析结果与实测结果吻合良好，验证了本文有限元分析方法的可靠性。本文分析方法缩短了建模时间，提高了工作效率，对工程上叶片结构分析与校核及新产品开发具有一定的指导意义。
关键词：复合材料，风电叶片，有限元，模态，刚度
中图分类号：TK83文献识别码：A

引言
复合材料叶片是风机设备中将风能转化为机械能的关键部件[1]。目前，叶片尺寸正在朝着大型化的方向发展，而其结构性能试验的成本也随之增加，因此，发展一种有效的结构计算分析方法对于减少试验成本以及缩短新产品开发周期具有重要意义。
随着计算机技术的发展，有限元法在结构分析中得到了广泛的应用。ANSYS是一款著名的商业化大型通用有限元分析软件，具有强大的有限元建模和结构分析功能，适用于复合材料叶片应力、变形、频率、屈曲、疲劳及强度分析等[2]。
鉴于大型复合材料材料叶片结构的特殊性，例如：①形状不规则（每个截面都不同）；②铺层复杂，过渡层很多；③大量夹层结构（“三明治”结构）；④大量粘结区域，复合材料风电叶片有限元建模是叶片结构有限元分析中的一大难题，而单元类型的选择又决定着建立有限元模型的难易。目前，复合材料风电叶片有限元模型在单元的选择上有壳单元（如Shell99、Shell181）和实体单元（如Solid46）。选择实体单元，虽然能提高有限元的计算精度，但是建立叶片的有限元模型会花费大量的工作时间，且很难定义单元坐标，在工程应用上不太方便；选择壳单元，可以方便地设置和修改铺层厚度，单元坐标的设置容易实现，建模和计算时间比采用实体单元少，这极大地提高了工作效率，而且其计算精度也可以满足工程需要。
本文采用shell181壳单元，建立了叶片的有限元模型，并以悬臂梁的方式，对叶片的模态和静力变形进行了计算分析，通过计算，得出了叶片的重量、振型及最大变形，并与试验数据进行了对比。
1有限元模型的建立
通常，在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立。一般包括几何建模、定义材料属性和实常数（要根据单元的几何特性来设置，有些单元没有实常数）、定义单元类型，网格划分、添加约束与载荷等。
由于叶片形状复杂，而一般有限元软件所提供的几何建模工具功能相当有限，所以在ANSYS中难以快速方便地对其建模。因此，针对较复杂的结构，可以先在三维CAD软件（如在PROE中）建立几何模型，然后在有限元分析软件ANSYS中通过输入接口读入实体模型，最后，在ANSYS环境下，通过几何修补和简化、板壳中面抽取、节点偏置、网格自动划分等技术对叶片模型进行处理，并形成高效准确的有限元模型，使之适用于CAE分析。
1.1单元设置与材料属性
针对叶片中的梁、壳等复合材料层合结构，ANSYS提供了一系列的特殊单元——结构多层复合材料单元，以模拟各种复合材料。铺层单元中可以考虑复合材料特有的铺层特性和各向异性特性。
本计算采用的是非线性铺层单元Shell181。该单元有四个节点，单元每个节点有六个自由度，分别为沿节点X、Y、Z方向的平动及绕节点X、Y、Z轴的转动。Shell181单元具有应力刚化及大变形功能。该单元有强大的非线性功能，并有截面数据定义、分析、可视化等功能，还能够定义复合材料多层壳。Shell181壳单元的截面定义了垂直于壳X-Y平面的形状。通过截面命令可以定义Z方向连续层，每层的厚度、材料、铺层角及积分点数都可以不同。
单元铺层主要是确定纤维方向和纤维量，是复合材料风电叶片结构设计的一个重要环节。铺层设计的优劣在很大程度上决定着结构设计的成败[3]。
本计算的铺层完全按照工艺铺层进行设计。在ANSYS环境下，针对Shell181单元，材料层的截面定义一般分为两步：①定义截面及其相关的截面号码。②定义截面的几何数据。Shell181单元的形状，节点位置，坐标系如图1所示。该单元由四个节点I、J、K、L定义。单元的表述通过对数应变和真实应力度量。可以通过实常数或截