復合材料葉片是風機設備中將風能轉(zhuǎn)化為機械能的關鍵部件。目前,葉片尺寸正在朝著大型化的方向發(fā)展,而其結(jié)構(gòu)性能試驗的成本也隨之增加,因此,找到一種有效的結(jié)構(gòu)計算分析方法對于節(jié)約成本以及結(jié)構(gòu)校核和開發(fā)新型葉片就顯得尤為重要。
 

       隨著計算機技術的發(fā)展,有限元法在結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛的應用。有限元強大的建模和結(jié)構(gòu)分析功能適用于復合材料葉片的應力、變形、頻率、屈曲、疲勞及葉根強度分析。ANSYS 是一款著名的商業(yè)化大型通用有限元軟件,廣泛應用于航空航天、機械制造等領域。ANSYS 多物理場仿真及耦合的獨特功能,以及200 多種單元類型,可以對復合材料結(jié)構(gòu)設計、材料研究及制造工藝提供完整的解決方案?？傊?對于復合材料結(jié)構(gòu)計算分析,完全可以通過ANSYS 程序來實現(xiàn)。

       但是,因復合材料葉片結(jié)構(gòu)的特殊性,例如:1) 形狀不規(guī)則(每個截面都不同) ;2) 鋪層復雜,過渡層很多;3) 大量夾層結(jié)構(gòu)(“三明治”結(jié)構(gòu)) ;4) 大量粘結(jié)區(qū)域。所以,其有限元模型的建立是葉片結(jié)構(gòu)有限元分析中的一大難題,而單元類型的選擇又決定著建立有限元模型的難易。目前,復合材料風電葉片有限元模型在單元類型的選擇上主要采用3 種單元型:shell99 殼單元、shell91 殼單元、Solid46 實體單元。選擇實體單元,雖然能提高有限元的計算精度,但是建立葉片的有限元模型會花費大量的工作時間,且很難定義單元坐標,這非常不利于工程上葉片的結(jié)構(gòu)校核及分析;選擇殼單元,可以方便地設置和修改鋪層厚度,單元坐標的設置容易實現(xiàn),建模和計算時間比采用實體單元少,這極大地提高了工作效率,而且其計算精度完全可以滿足工程需要。因此,使用shell99 殼單元,通過三維建模,建立了葉片的有限元模型,并以懸臂梁的方式,對葉片的模態(tài)和靜力變形進行了計算分析,通過計算,得出了葉片的重量、振型及最大變形,并與試驗數(shù)據(jù)進行了對比。

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