复合材料风电叶片有限元刚度分析

      复合材料叶片是风机设备中将风能转化为机械能的关键部件。目前,叶片尺寸正在朝着大型化的方向发展,而其结构性能试验的成本也随之增加,因此,找到一种有效的结构计算分析方法对于节约成本以及结构校核和开发新型叶片就显得尤为重要。
 

       随着计算机技术的发展,有限元法在结构分析中得到了广泛的应用。有限元强大的建模和结构分析功能适用于复合材料叶片的应力、变形、频率、屈曲、疲劳及叶根强度分析。ANSYS 是一款著名的商业化大型通用有限元软件,广泛应用于航空航天、机械制造等领域。ANSYS 多物理场仿真及耦合的独特功能,以及200 多种单元类型,可以对复合材料结构设计、材料研究及制造工艺提供完整的解决方案。总之,对于复合材料结构计算分析,完全可以通过ANSYS 程序来实现。

       但是,因复合材料叶片结构的特殊性,例如:1) 形状不规则(每个截面都不同) ;2) 铺层复杂,过渡层很多;3) 大量夹层结构(“三明治”结构) ;4) 大量粘结区域。所以,其有限元模型的建立是叶片结构有限元分析中的一大难题,而单元类型的选择又决定着建立有限元模型的难易。目前,复合材料风电叶片有限元模型在单元类型的选择上主要采用3 种单元型:shell99 壳单元、shell91 壳单元、Solid46 实体单元。选择实体单元,虽然能提高有限元的计算精度,但是建立叶片的有限元模型会花费大量的工作时间,且很难定义单元坐标,这非常不利于工程上叶片的结构校核及分析;选择壳单元,可以方便地设置和修改铺层厚度,单元坐标的设置容易实现,建模和计算时间比采用实体单元少,这极大地提高了工作效率,而且其计算精度完全可以满足工程需要。因此,使用shell99 壳单元,通过三维建模,建立了叶片的有限元模型,并以悬臂梁的方式,对叶片的模态和静力变形进行了计算分析,通过计算,得出了叶片的重量、振型及最大变形,并与试验数据进行了对比。

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