基于ANSYS的大型风机叶片建模研究

    摘  要：有限元校核分析是叶片设计过程中的重要一环，而叶片外形与结构的复杂性决定了其有限元模型的建立将十分繁琐。本文针对750kW风机叶片，利用有限元软件ANSYS，详细介绍了大型叶片的建模过程，并对建模方法提出了一些建议。在建模过程中，采取自下而上的方法建立叶片的实体模型，利用壳单元SHELL91和SHELL99与实常数相结合．在划分网格时采用面赋值法和单元赋值法来模拟复合材料的铺层结构。通过设置SHELL91的单元参数，利用其“三明治”的特性模拟叶片的夹芯结构。叶片有限元模型的建立为大型叶片的设计与分析校核做了铺垫。
1  前 言
    随着全球油价的持续上涨，新能源的开发和利用越来越受到重视，国家发改委在2007年4月发布《能源发展“十一五”规划》中明确指出：“十一五”期间，重点发展资源潜力大、技术基本成熟的风力发电、生物质发电、生物质成型燃料、太阳能利用等可再生能源……目前国内已有众多厂家生产风力发电设备，叶片作为风电机组的核心部件之一，是风力机捕捉风能、转换能量的重要组成部分。但是国内生产叶片的厂家以引进国外技术进行制造为主，对大型叶片的结构分析与研究还处于起步阶段。由于叶片结构复杂，且当前的主流叶片都是在中间加设主梁和腹板的大型空心叶片，所以叶片模型的建立多是采用专门开发的软件，或采用三维建模软件与ANSYS结合起来建模的方法。而本文的建模则是在ANSYS软件上直接实现的，真实地模拟了叶片的模型，为叶片的动力学特性和结构强度分析做了准备性工作，对其他大型叶片模型的建立也有一定的参考价值。
2  叶片实体模型的建立
    叶片实体模型在ANSYS中采取自下而上的方式建立，模型建立前首先要确定叶片的翼型，翼型的形状直接影响叶片的气动性能。风机叶片的翼型是叶片在其展长方向上某一位面的轮廓线，翼型一般是瘦长形状，其前部较厚且有小圆弧状的前缘，而其后部较薄且有一较尖的后缘，如图1所示。为方便建模，根据750kW叶片翼型的特点，将叶片划分为44段，共有45个截面，建立每个截面的关键点，将关键点连接成线，然后连接相应的线成面，实现叶片的实体建模。
2.1  建立翼型截面轮廓线
    叶片截面的翼型数据可以通过Profili软件得到，获得截面的关键点坐标以后，通过命令流的形式建立关键点（如图1所示），数据格式如下：