大型风电叶片的结构分析和测试

  风力发电机的叶片(下文简称叶片)是风电设备将风能转化为机械能的核心部件，其制造成本约占风机总成本的15%——30%。大型风力发电机的叶片基本由复合材料制成，叶片设计与制造是风电机组的技术关键。目前，国内多家叶片生产企业都在自主开发新型号叶片，设计中所用的工具也不完全一样。FOCUS软件是用于风电机组及组件(如叶片)快速设计分析的软件工具，在国际风电设备工业有超过10年的应用史。相对于使用三维建模软件和有限元计算软件结合的设计路线，使用FOCUS软件更为便捷。

  本文利用FOCUS软件对某型号叶片直接完成建模，对其进行了模态和结构静力学分析，并与实际叶片的模态和静力试验结果进行了对比分析。

  拥有独特的对叶片进行详细设计的 交互式建模工具。在对叶片进行逐步定义的同时，三维的交互式显像会对设计变化给出直接反馈。使用FOCUS软件对本文所研究的叶片进行建模，第一步是通过一系列坐标点定义翼型轮廓线，第二步是在三维空间中设置翼型位置、放大比例、旋转角度、预弯等来建立气动外形，第三步是定义材料，第四步是定义铺层边界，第五步是根据铺层边界和设计厚度定义铺层，从而完成了风机叶片的建模。 该叶片是由压力面壳体、吸力面壳体和前后缘两侧抗剪腹板结构组成，其中壳体由蒙皮、大梁、大梁两侧的芯材、后缘增强层和叶根增强层组成，所涉及的主要增强材料包括单轴向布、双轴向布、三轴向布、Balsa木、PVC泡沫。

  对该模型提取截面属性，并通过后处理选择 叶片重量，得到叶片计算重量分布，见图1。

  从图1可知，该叶片重量在0——1m处的斜率最大，表明在叶根处的单位重量最大，这是由于叶根段要达到一定的铺层厚度满足打孔需要。其计算重量为7683kg，实际样片的称量重量为7675kg，偏差0.1%，二者非常接近，表明模型与 实际一致性好。

  对该模型进行模态计算，并分别提取了一阶 挥舞、二阶挥舞、一阶摆振和一阶扭转的振型，如图2——5所示。模型计算频率与样片试验频率的对比见表1。 从图2——5和表1可知，样片试验的频率均小于计算频率，造成偏差的根本原因是样片整体刚度比设计刚度偏小，但偏差小于5%，符合 GL2010的相关测试要求。

  在叶片静力试验过程中，载荷是通过位于设 定截面的加载夹具，从0%，40%，60%，80%到 100%逐步加载的。对施加100%载荷时，计算位移和试验位移的对比结果见图6。图6中为便于比 较，不考虑位移的方向性，位移数据均取正值。

  从图6可知，沿叶片长度方向共设立了7处位移测试点，大多分布在在了叶片的中后部。沿叶片长度方向，叶片位移逐渐增大，且越靠近叶尖，位移增大速度越快，这种趋势在最大挥舞方向和最 小挥舞方向更为显着。4个测试方向中，最大挥舞方向比最小挥舞方向的位移大，最大挥舞方向的叶尖位移最大，试验值为10441mm，计算值为 10456mm，偏差很小仅为-0.015%，说明该模型 能真实地反映叶片受载时的叶尖挠度，该样片能够很好的满足整机设计的净空需要。4个测试方向中，试验位移和计算位移高度拟合，最小摆振方向的偏差相对大一些，最大偏差仅为5.08%，小于7%，满足GL2010的相关测试要求。

  目视检查不能监测到的叶片状态变化，通常可用应变计来监测。对置于叶片压力面大梁和吸力面大梁位置处的监测点，分别在最大挥舞方向和最小挥舞方向施加100%载荷的应变进行统计，见表2。对置于叶片前缘、后缘位置处的监测点，分别在最大摆振方向和最小摆振方向施加 100%载荷的应变进行统计，见表3。

  从表2可知，在承受最大挥舞方向载荷时，叶片压力面大梁应变为正值，吸力面大梁应变为负值，在L20.0m处的应变最大。在承受最小挥舞方向载荷时，叶片压力面大梁应变为负值，吸力面大梁应变为正值，在L20.0m处的应变最大。在吸力面大梁L23.5m处的计算应变和试验应变偏差较大，结合该试验应变在不同载荷步下的变动情况，认为该应变片失效，应变数据无效。除此之外，计算应变与试验应变最大偏差为-7.04%，小于10%，符合GL2010规范要求。

  从表3可知，在承受最大摆振方向载荷时，叶片前缘应变为负值，叶片后缘应变为正值，同侧不同截面的应变变化不大，在L16.0m处的应变最大。在承受最小挥舞方向载荷时，叶片前缘应变为正值，叶片后缘应变为负值，同侧不同截面的应变变化不大，前缘在L16.0m处的应变最大，后缘在L23.5m处的应变最大。在后缘L9.0m处的计算应变和试验应变偏差较大，结合该试验应变在不同载荷步下的变动情况，认为该应变片失效，应变数据无效。除此之外，计算应变与试验应变最大偏差为-7.61%，小于10%，符合GL2010规范要求。

  使用FOCUS软件进行风电叶片模型搭建， 计算叶片质量，与样片实测重量相比，偏差仅 0.1%，表明模型搭建合理。 计算频率和试验频率的偏差均小于5%，符合GL2010规范要求。 计算位移和试验位移的偏差均小于7%，计算应变和试验应变的偏差除异常点外均小于 10%，符合GL2010规范要求。

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