基于ANSYS的大型風機葉片建模研究

    摘  要：有限元校核分析是葉片設計過程中的重要一環，而葉片外形與結構的復雜性決定了其有限元模型的建立將十分繁瑣。本文針對750kW風機葉片，利用有限元軟件ANSYS，詳細介紹了大型葉片的建模過程，并對建模方法提出了一些建議。在建模過程中，采取自下而上的方法建立葉片的實體模型，利用殼單元SHELL91和SHELL99與實常數相結合．在劃分網格時采用面賦值法和單元賦值法來模擬復合材料的鋪層結構。通過設置SHELL91的單元參數，利用其“三明治”的特性模擬葉片的夾芯結構。葉片有限元模型的建立為大型葉片的設計與分析校核做了鋪墊。
1  前 言
    隨著全球油價的持續上漲，新能源的開發和利用越來越受到重視，國家發改委在2007年4月發布《能源發展“十一五”規劃》中明確指出：“十一五”期間，重點發展資源潛力大、技術基本成熟的風力發電、生物質發電、生物質成型燃料、太陽能利用等可再生能源……目前國內已有眾多廠家生產風力發電設備，葉片作為風電機組的核心部件之一，是風力機捕捉風能、轉換能量的重要組成部分。但是國內生產葉片的廠家以引進國外技術進行制造為主，對大型葉片的結構分析與研究還處于起步階段。由于葉片結構復雜，且當前的主流葉片都是在中間加設主梁和腹板的大型空心葉片，所以葉片模型的建立多是采用專門開發的軟件，或采用三維建模軟件與ANSYS結合起來建模的方法。而本文的建模則是在ANSYS軟件上直接實現的，真實地模擬了葉片的模型，為葉片的動力學特性和結構強度分析做了準備性工作，對其他大型葉片模型的建立也有一定的參考價值。
2  葉片實體模型的建立
    葉片實體模型在ANSYS中采取自下而上的方式建立，模型建立前首先要確定葉片的翼型，翼型的形狀直接影響葉片的氣動性能。風機葉片的翼型是葉片在其展長方向上某一位面的輪廓線，翼型一般是瘦長形狀，其前部較厚且有小圓弧狀的前緣，而其后部較薄且有一較尖的后緣，如圖1所示。為方便建模，根據750kW葉片翼型的特點，將葉片劃分為44段，共有45個截面，建立每個截面的關鍵點，將關鍵點連接成線，然后連接相應的線成面，實現葉片的實體建模。
2.1  建立翼型截面輪廓線
    葉片截面的翼型數據可以通過Profili軟件得到，獲得截面的關鍵點坐標以后，通過命令流的形式建立關鍵點（如圖1所示），數據格式如下：