【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)生變化，減小拍打方向根部彎矩對(duì)葉片影響。 穩(wěn)定功率輸 出 葉輪的功率輸出通常定義為： 上式中， P 為空氣密度； V 為風(fēng)速； Cp 為風(fēng)能利用系數(shù)，即功率系數(shù)； S 為風(fēng)輪掃掠面積。由式 (24)可知，風(fēng)輪的輸出功率與功率系數(shù)的關(guān)系非常敏感。 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn) [47]，功率系數(shù)與槳葉的槳距角和葉尖速比成非線性關(guān)系： 華北電 力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 由上式可知，葉片槳距角的變化對(duì)功率系數(shù)有很大影響。而葉片攻角的變化會(huì)改變槳距角的大小，從而導(dǎo)致功率系數(shù)發(fā)生變化。設(shè)計(jì)彎扭耦合葉片的目的之一，就是在風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，希望葉片能夠通過自身的耦合效應(yīng)來(lái)調(diào)整槳距角，改善功率輸出的穩(wěn)定性。在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行 中，葉輪的輸出功率必須穩(wěn)定在一定的范圍，如果葉片的攻角隨風(fēng)速的增大而變大，那么就能夠減小功率的輸出，達(dá)到穩(wěn)定輸出功率的目的。 以上提到的兩點(diǎn)就即為葉片的自適應(yīng)性。風(fēng)力機(jī)葉片材料一般為纖維復(fù)合材料，而纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能具有可設(shè)計(jì)性，這為葉片的彎扭耦合設(shè)計(jì) 葉片材料與耦合關(guān)系 本小節(jié)介紹葉片材料與耦合的關(guān)系，本文主要從以下兩方面介紹即復(fù)合材料葉片，復(fù)合材料層合版疊層理論介紹葉片材料與耦合的關(guān)系，下面做詳細(xì)介紹。 復(fù)合材料葉片 近二、三十年來(lái)，高性能的復(fù)合材料得到迅猛發(fā)展。 玻璃鋼與碳纖維，是復(fù)合材料的典型代表，它們廣泛應(yīng)用于航空、汽車、船舶、建筑、機(jī)械等領(lǐng)域。復(fù)合材料具有以下一系列的優(yōu)越性： 1) 比強(qiáng)度高，比剛度高。即復(fù)合材料的既輕，強(qiáng)度和剛度又高。 2) 疲勞性能好。通常與材料種類、鋪層方式以及疲勞載荷有關(guān)。 3) 可設(shè)計(jì)性?？稍O(shè)計(jì)復(fù)合材料纖維的含量及鋪設(shè)方式，達(dá)到所需要的氣動(dòng)彈性。 4) 不易失效。復(fù)合材料為纖維和基體組成，即便個(gè)別纖維斷裂，仍能安全使用一定期限。 在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，葉片是關(guān)鍵零部件，葉片被要求具有可靠的結(jié)構(gòu)、堅(jiān)固的材料，以使葉片可承擔(dān)風(fēng)力、 自重、慣性力等各種受力。葉片質(zhì)量越輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越高，抗疲勞強(qiáng)度就越好，運(yùn)行就更安全可靠等。正因?yàn)閺?fù)合材料具有上述優(yōu)越華北電 力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 性，已成為風(fēng)力發(fā)電葉片的首選材料。目前，大型風(fēng)機(jī)葉片主要采用玻璃纖維、玻璃纖維 /碳纖維混雜、碳纖維等增強(qiáng)體復(fù)合材料。其中玻璃纖維因?yàn)閮r(jià)格比較便宜等因素，是風(fēng)機(jī)葉片使用材料的主流。但是隨著葉片的大型化，為了進(jìn)一步減輕葉片的重量，提高葉片的可靠性，碳纖維與玻璃纖維組成的混雜纖維，也開始應(yīng)用于大型特別是超大型葉片的制造。有生產(chǎn)商指出，葉片超過一定尺寸后，混雜纖維葉片的制作成本并不比玻璃纖維葉片的高， 預(yù)計(jì)下一代 3～ 10 Mw 風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)將更多的采用混雜纖維。因此，隨著葉片的大型化和碳纖維成本的降低，由碳纖維等組成的混雜纖維材料在風(fēng)機(jī)葉片上必然會(huì)得到更廣泛的運(yùn)用。 復(fù)合材料層合板疊層理論 風(fēng)機(jī)葉片在制造工藝上，是由復(fù)合材料纖維布層疊而成的，而纖維復(fù)合材料具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，根據(jù)不同的纖維疊層分布，可設(shè)計(jì)出拉剪，彎扭等復(fù)雜的耦合效應(yīng)，這一節(jié)我們重點(diǎn)從復(fù)合材料力學(xué)來(lái)探討復(fù)合材料層合板的耦合設(shè)計(jì)。 （ 1）單向纖維板的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系 一般采用為單向纖維板，該板為正交各向異性材料，具有不均勻性 和各向異性。提供了可行性。單向復(fù)合材料一般作為層合板結(jié)構(gòu)的基本單元使用。在分析層合板的力學(xué)關(guān)系時(shí)，可把適當(dāng)大小的包含纖維和基體的體積單元，看作材料的基本構(gòu)成元素。在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合材料通常以平板或殼體形式出現(xiàn)，即厚度方向與其他方向的尺寸相比一般很小。在討論單層復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，可假設(shè)其為平面應(yīng)力狀態(tài)。 （ 2）材料任意方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 當(dāng)纖維板的纖維主軸方向與總體坐標(biāo)系不一致時(shí)，需要研究單層材料任意方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，來(lái)計(jì)算材料的剛度。圖 22 是兩種坐標(biāo)之間的關(guān)系，θ表示從 x 軸轉(zhuǎn)向主軸 (1 軸 )的角度，逆時(shí)針為正。 華北電 力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 兩種坐標(biāo)之間的關(guān)系 （ 3）層合板的剛度與強(qiáng)度設(shè)計(jì) 合板的剛度，需要做以下假設(shè)： 層合板的層與層之間無(wú)縫隙，忽略粘結(jié)層的厚度。層合板是由單層板按一定的順序和角度疊層起來(lái)的。為了評(píng)價(jià)層的性能優(yōu)劣，需要做實(shí)例驗(yàn)證，詳細(xì)見下節(jié)。 實(shí)例驗(yàn)證 本文后續(xù)章節(jié)中，葉片的彎扭耦合設(shè)計(jì)都是基于有限元來(lái)計(jì)算的，為了驗(yàn)證應(yīng)用有效應(yīng)的準(zhǔn)確性，下面通過應(yīng)用理論推導(dǎo)和有限元分析兩種方法，計(jì)算一個(gè)簡(jiǎn)單的層合板在耦合與未耦合鋪層的情況下，合效應(yīng)的正確性。量 ，徑向模量 ，泊松比 ，剪切模 量即纖維鋪設(shè)方向沿層合板長(zhǎng)度方向。因?qū)雍习逡?guī)則形狀，長(zhǎng)、寬、高分別為 =10m、 b=1m、 h= 限元法來(lái)計(jì)算耦合考察其的應(yīng)力與變形，以此來(lái)驗(yàn)證耦現(xiàn)假設(shè)有一塊簡(jiǎn)單的層合板，長(zhǎng) L=10m，寬度 1m，鋪層數(shù) 30，每層厚度 10mm 。 材 料 屬 性 為 ： 軸 向 模 Ex= Ey= Ux== 。固定根部，未端中點(diǎn)加一集中力 F=10KN。 下面先應(yīng)用理論方法來(lái)推導(dǎo)層合板根部的應(yīng)力與應(yīng)變。假設(shè)此復(fù)合板為單向鋪層， l。可以華北電 力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 把此板等效為一根部固定的梁，由材料力學(xué)可得， 梁根部彎矩為： 而應(yīng)用有限元法求解，結(jié)果如圖 與 所示。根部正應(yīng)力平均約為 67MPa，最大應(yīng)變?yōu)? ，與上述理論計(jì)算的結(jié)果很接近，這說(shuō)明本文采用的有限元計(jì)算方法是可端位移如圖 所示，可見末端各節(jié)點(diǎn)的位移相等，沒有扭轉(zhuǎn)位移的發(fā)生。而將靠的。 接下來(lái)以此層合板為例，探討層合板的耦合效應(yīng)。首先在上述單向鋪層的情況下，得到層板的末鋪層方式改為角鋪設(shè)，即所有層的纖維方向均為與長(zhǎng)度方向 (圖中的 x 軸方向 )成 20176。的夾角。再看末端位移的計(jì)算結(jié)果如圖 所示，可見末端已發(fā)生 扭轉(zhuǎn)變形，經(jīng)計(jì)算為 176。，扭轉(zhuǎn)方向與纖維偏置的方向一致。此外，本文在 0176。 ~40176。間作了多組角度計(jì)算，未 在此文中體現(xiàn)，但均得到有相似的彎扭耦合效應(yīng)。 圖 根部正應(yīng)力 圖 根部壓縮應(yīng)變 華北電 力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 由上述實(shí)例可知，當(dāng)纖維在層合板中的鋪設(shè)沒有偏離坐標(biāo)軸方向時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生耦合效應(yīng)。而當(dāng)纖維鋪設(shè)偏離坐標(biāo)軸向時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生彎扭耦合效應(yīng)，這正好驗(yàn)證了層合板的彎扭耦合理論是正確，同時(shí)說(shuō)明應(yīng)用有限元法來(lái)計(jì)算耦合效應(yīng)是合理和準(zhǔn)確的。 葉片中的鋪層與耦合效應(yīng) 耦合控 制系數(shù) （ 1）葉片實(shí)體模型的建立 葉片實(shí)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(dòng)性能。風(fēng)機(jī)葉片的翼型是葉片在其展長(zhǎng)方向上某一位面的輪廓線，翼型一般是瘦長(zhǎng)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(jù) 750kW葉片翼型的特點(diǎn)，將葉片劃分為 44 段，共有 45個(gè)截面，建立每個(gè)截面的關(guān)鍵點(diǎn)，將關(guān)鍵點(diǎn)連接成線，然后連接相應(yīng)的線成面，實(shí)現(xiàn)葉片的實(shí)體建模。 （ 2）建立翼型截面輪廓線 葉片截面的翼型數(shù)據(jù)可以通過 Profili 軟件得到，獲得截面的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)以后，通過命令流的形式建立關(guān)鍵點(diǎn)（如圖 1 所示），數(shù)據(jù)格式如下： 翼型截面關(guān)鍵點(diǎn)建立以后，將每個(gè)截面的 30 個(gè)點(diǎn)分為 6 組，通過主菜單→Preprocesso→ Modeling→ Create→ Lines→ Spline→ SplihruKPs建立 6條曲線，即可得到翼 型的某一輪廓線，如圖 2所示。在葉片的每?jī)蓚€(gè)翼型截面之間，以輪廓線上的曲線端點(diǎn)為關(guān)鍵點(diǎn)建立 6 條縱向直線，將葉片上所有的翼型輪廓線通過縱向直線連接起來(lái)。 華北電 力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 葉片翼型截面輪廓線共有 45 個(gè)，每?jī)蓚€(gè)截面間的曲線和直線都是對(duì)應(yīng)的，因此通過主菜單→ Preprocessor→ Modeling→ Create→ Areas→ Arbitrary→ByLines 可以在對(duì)應(yīng)的線段之間建立曲面，每?jī)蓚€(gè)翼型截面之間都有 6個(gè)曲面，將所有的曲面建立完畢后即可得到整個(gè)葉片的實(shí)體模型，如圖 3 所示。由于該葉片為空心結(jié)構(gòu)，為了增加強(qiáng)度，在葉片中間加設(shè)主 梁和腹板，主梁是以玻璃纖維粗紗為增強(qiáng)材料的預(yù)成型件，其寬度沿著展長(zhǎng)方向遞減，而厚度則是沿著展長(zhǎng)方向先增大然后逐漸減小，腹板是等厚漸窄的夾芯結(jié)構(gòu)預(yù)成型件。在模擬主梁時(shí)，將主梁在葉片上的區(qū)域按其形狀單獨(dú)分開，通過實(shí)常數(shù)賦值實(shí)現(xiàn)模擬。而腹板是在葉片的上下面內(nèi)建立曲線，在上下對(duì)應(yīng)的曲線之間通過主菜單→ Preprocessor→ Modeling→ Create→ Areas→ Arbitrary→ BySkining 建立腹板面來(lái)連接葉片的上下面，應(yīng)用 ANSYS 中夾芯單元實(shí)現(xiàn)腹板的模擬。 在 ANSYS中，可用于模擬復(fù)合材料鋪層 結(jié)構(gòu)的單元類型有 SOLID4 SHELL9SHELL99,SHELL181 和 SOLID191 五種單元。根據(jù)葉片層合板的特點(diǎn)采用 SHELL91和 SHELL99 兩種類型單元模擬， SHELL91 可以模擬具有夾芯結(jié)構(gòu)的層合板，允許輸入的復(fù)合材料多達(dá) 100 層；而 SHELL99 可以模擬非夾芯結(jié)構(gòu)層合板，允許輸入的復(fù)合材料多達(dá) 250 層。應(yīng)用 SHELL91 模擬夾芯結(jié)構(gòu)時(shí)，使單元參數(shù) KEYOPT(9)＝ 1，以此聲明該結(jié)構(gòu)為夾芯結(jié)構(gòu)，同時(shí)使 KEYOPT(5)＝ 1以獲得中間層最精確的結(jié)果。 SHELL91 單元還可以對(duì)同一個(gè)節(jié) 點(diǎn)定義兩種材料屬性。為使分析更加準(zhǔn)確，要根據(jù)葉片的實(shí)際結(jié)構(gòu)通過設(shè)置單元參數(shù) KEYOPT(11)來(lái)確定節(jié)點(diǎn)外置，見圖 4。如果節(jié)點(diǎn)中置（ KEYOPT（ 11）＝ 0），則會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，尤其是對(duì)葉片的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剛度影響較大。 華北電 力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 為了使計(jì)算結(jié)果合理準(zhǔn)確， ANSYS 在選定 SHELL91 的夾芯結(jié)構(gòu)功能時(shí)附加了一些 限定條件： (1)夾芯與整個(gè)夾芯復(fù)合板的厚度比值最好≥ 5/6，但必須≥ 5/7，如圖 5 所示； (2)蒙皮與夾芯楊氏模量得到比值最好在 100~10000 范圍內(nèi)，但必須在4~1000000 內(nèi)； (3)在彎曲載荷作用下的曲率半徑與夾芯復(fù)合板厚度的比值最好≥ 10，但必須≥ 8。 風(fēng)機(jī)葉片的主梁和蒙皮采用非等厚度復(fù) 合材料鋪層結(jié)構(gòu)，如圖 6 所示。在葉根處的復(fù)合材料鋪層高達(dá) 100 多層，厚度也達(dá)到最大值，從葉根開始沿展長(zhǎng)方向蒙皮厚度先減小后增大，在葉片中間保持不變，趨于葉尖時(shí)蒙皮厚度逐漸減至最小值，而在前后緣的蒙皮增強(qiáng)部位，也是非等厚度復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)。因此為了模擬葉片的實(shí)際鋪層結(jié)構(gòu)，根據(jù)蒙皮的不同厚度劃分區(qū)域，設(shè)置了不同的實(shí)常數(shù)，每個(gè)實(shí)常數(shù)都包括相應(yīng)的材料性能參數(shù)、鋪層角和鋪層厚度。本例在統(tǒng)計(jì)完葉片的實(shí)際鋪層后做了部分簡(jiǎn)化，一共設(shè)置了 100 多個(gè)實(shí)常數(shù)，每個(gè)實(shí)常數(shù)都是對(duì)應(yīng)于不同區(qū)域。 華北電 力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 葉片網(wǎng)格的劃分 在劃分葉片網(wǎng) 格時(shí)．將 SHELL91 和 SHELL99 與實(shí)常數(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片實(shí)際鋪層結(jié)構(gòu)的模擬，通過主菜單→ Preprocessor→ Meshing→ MeshTool 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分時(shí)采用映射與自由劃分的方式來(lái)控制網(wǎng)格的精度。在模擬過程中，采用了兩種實(shí)常數(shù)賦值法，即面賦值法和單元賦值法。所謂面賦值法，就是在劃分網(wǎng)格時(shí)，將實(shí)常數(shù)賦值于要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的面上，例如葉根、主梁、腹板等結(jié)構(gòu)，通過此法就可以很容易地實(shí)現(xiàn)鋪層的模擬；而單元賦值法，就是在劃分網(wǎng)格時(shí)定義單元的 尺寸， 網(wǎng)格形 成以 后通過 主菜單 → Preprocessor → Modeling→Move/Modify→ Elements→ ModifyAttrib 改變單元的實(shí)常數(shù)屬性。例如在前后緣的增強(qiáng)部位，通過此法可實(shí)現(xiàn)對(duì)增強(qiáng)鋪層的模擬。 為減輕葉片的重量，在葉片的主梁兩側(cè)、前緣和后緣上使用了大量的夾芯結(jié)構(gòu)。夾芯結(jié)構(gòu)由蒙皮和夾芯材料組成，夾芯結(jié)構(gòu)的使用降低了葉片成本，增強(qiáng)了葉片的局部抗彎和抗剪能力，并使整個(gè)葉片達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)。利用 SHELL91（ KEYOPT（ 9） =1）來(lái)模擬葉片的夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，在前緣部位存在一些單元因不能滿足夾芯結(jié)構(gòu)的限定條件而無(wú)法進(jìn)行求解計(jì)算，但由于葉片的外形和 前緣曲率已經(jīng)確定，故將這些不滿足要求的單元用不帶夾芯結(jié)構(gòu)的 SHELL91（ KEYOPT（ 9）＝ 0）來(lái)模擬，雖然這會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生偏差，但這種偏差在允許范圍。將葉片的網(wǎng)格全部劃分完成以后，葉片的有限元模型也就建好了，對(duì)建好的有限元模型施加邊界條件和各種工況載荷，就可研究葉片的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)頻率和疲勞壽命等結(jié)構(gòu)性能，以完成對(duì)葉片的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)研究。圖 7 所示為葉片的某一截面結(jié)構(gòu)圖。圖 8所示為葉片的有限元模型。 本章小結(jié) 本章主要介紹了葉片彎扭耦合的設(shè)計(jì)理論分析，主要涉及葉片彎扭耦合的設(shè)計(jì)效應(yīng)、葉片 材料與耦合的關(guān)系、實(shí)例驗(yàn)證、葉片中的鋪層與耦合效應(yīng)等幾方面介紹了系統(tǒng)涉及到的理論知識(shí)，本章為系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)打下了良好的理論基礎(chǔ)。 華北電 力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 3 利用 labview 設(shè)計(jì)葉片彎扭耦合測(cè)量系統(tǒng)