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風力機葉片模態有限元分析

發布于:2022-02-28 18:36
有限元分析

      近幾年風能利用掀起了全國熱潮,很多學者致力于風能研究。風力機葉片性能是否優越是風能利用率高低的關鍵。風力發電機葉片是捕捉風能的核心功能部件,也是風力發電機最基礎的部件。多年來風力機葉片動力學特性及有限元分析一直受到諸多相關科技工作者的重視。葉片的動力學分析不但考慮了靜止狀態下的固有頻率及振型,也考慮了葉片在旋轉狀態下的固有頻率及振型,并作了分析比較。在進行強度分析時,在閱讀了大量文獻的基礎上,對葉片做了簡明扼要的靜力強度分析。
      首先根據結構動力學基本理論,利用大型有限元分析軟件ANSYS軟件,分析和比較了葉片在靜止和不同轉速情況下的模態特性。然后基于空氣動力學相關理論,分析風力機葉片所承受的主要載荷,對風力機葉片進行強度分析,取得了一些有益的結果。分析過程及所取得的結果對于類似結構的動力學特性、優化設計、強度及疲勞分析具有一定的借鑒意義。
      風力機葉片旋轉時并非單一受載而是同時受到重力載荷、氣動載荷和慣性載荷的共同作用。因此需要將三種載荷疊加施加到葉片上。分別模擬切入風速為3m/s、額定風速為7m/s、大風速14m/s、切出風速為20m/s四種風速下,葉片同時受到三種載荷下的位移和應力。通過ANSYS軟件,葉片同時受到三種載荷的最大等效位移和最大等效應力值。
      從圖中數據可以看出,載荷越大,葉片的位移和應力值變化明顯并逐漸增加。當風速為切出風速時,位移云圖,如圖所示。應力云圖,如圖7所示。以及應變分布云圖,如圖所示。由響應圖可得靜力分析結果:葉片的最大位移變形位置在葉尖,最大值為40.431mm,對整個葉片來說影響不大;葉片受力最大部位是在葉片中部前緣處,最大值為31.255MPa,遠遠小于葉片材料的的拉伸強度325MPa;易產生變形的位置在葉片中部,最大變形量為0.08%,也遠遠小于文獻玻璃鋼葉片最大彎曲應變應低于0.3%的要求。
      (1)以600W風力機為研究對象,基于結構動力學基本理論,利用有限元分析軟件ANSYS分別計算了靜止和不同旋轉速狀態下葉片固有頻率和振型。結果表明旋轉狀態下固有頻率明顯高于靜止狀態,而振型形式類似。(2)運用簡化懸臂梁理論及空氣動力學理論分析葉片受力情況。將三種主要載荷疊加施加到葉片上,分別計算了幾種不同切入風速下葉片的位移和等效應力云圖。結果表明,葉片受到載荷后,葉尖處出現最大位移,葉片中部前緣處是葉片主要受力部位。在風力機葉片設計、優化和疲勞分析時應充分考慮。


                                                                                專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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