750kw风力发电机叶片建模与仿真分析解析.docx
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750kw风力发电机叶片建模与仿真分析解析
毕业论文
题目：
750KW风力机叶片建模与模态仿真分析
学院：
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
学号：
学生姓名：
导师姓名：
完成日期：
2014年6月20日
诚信声明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名：
日期：
年月日
毕业设计（论文）任务书
题目：
750KW风力机叶片建模与模态仿真分析
姓名学院专业班级学号
指导老师职称教研室主任
一、基本任务及要求：
1、查阅20篇左右文献资料，撰写开题报告和文献综述。
2、确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。
3、应用三维建模软件建立叶片三维实体模型。
4、应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。
5、改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。
6、按照要求撰写毕业论文和打印图纸。
二、进度安排及完成时间：
2014.2.20－3.5：
课题调研（含毕业实习及撰写毕业实习报告）、查阅文献资料。
2014.3.6－3.28：
撰写文献综述和开题报告。
2014.3.29－4.8：
确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。
2014.4.9－4.19：
应用三维建模软件建立叶片三维实体模型。
2014.4.20－4.27：
应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。
2014.4.28－5.5：
改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。
2014.5.6－5.26：
撰写毕业论文、完成设计。
2014.5.27－6.10：
整理毕业设计资料，毕业答辩。
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1前言1
1.2研究的目的和意义1
1.3风力机叶片气动性能的研究现状2
1.4风力机叶片结构分析的研究现状3
1.5风力机叶片模态分析研究现状4
第2章叶片建模简介与建模软件6
2.1叶片建模简介6
2.2UGNX产品简介6
2.3本章小结7
第3章叶片模态分析理论与ANSYS软件介绍8
3.1叶片模态分析理论8
3.2ANSYS软件介绍9
3.3本章小结10
第4章叶片外形设计与三维建模11
4.1风力机叶片11
4.2叶片结构11
4.3风力机叶片翼型选择及设计参数12
4.3.1翼型的选择12
4.3.2叶片设计参数13
4.3.2叶片截面空间坐标的求解15
4.3.3坐标求解方法及结果16
4.4叶片实体建模17
4.5本章小结20
第5章模态仿真分析21
5.1分析步骤21
5.2叶片在约束状态下的模态分析26
5.2.1壳体填充模态26
5.2.2壳体模态28
5.2.3结果分析29
5.3.预应力模态30
5.3.1额定转速工况30
5.3.2对不同转速分析32
5.4本章小结32
第6章结论与展望33
6.1结论33
6.2展望33
参考文献35
致谢38
750KW风力机叶片建模与模态仿真分析
摘要:
本文对某型750KW水平轴风力机叶片进行研究，根据已有气动理论和相关气动软件propid来确定叶片的最优外形参数。
运用UGNX7.5结合Excel软件来进行叶片的三维建模。
然后，利用有限元分析软件ANSYS/Workbench对建好的模型进行模态仿真分析，获得叶片在静止状态和额定转速下的前12阶的模态振型和固有频率，得到结论，挥舞和摆振是风力机叶片的主要振动形式，从振型图可以看出，叶片的振动节点主要分布在叶尖三分之一处。
从现实风机叶片疲劳破坏来看，大多数叶片折断点主要在叶尖三分之一处。
在预应力叶片模态分析结果中可知，叶片从第一阶至六阶振型均表现为弯曲的振动，可见叶片的振型主要表现为挥舞弯曲振型。
在不同转速下叶片的动力刚化是叶片的转动与其弹性变形相互影响的结果，转速增高，惯性力对刚度的影响增大，叶片固有频率的增加越多。
关键词：
风力机叶片，三维建模，模态分析。
3DModelingandModalAnalysison750KWLargeWindTurbineBlade
Abstract:
Inthispaper,acertaintypeof750KWhorizontalaxiswindturbinebladeresearchtodeterminetheoptimalshapeofthebladeaerodynamicparametersbasedonexistingtheoriesandassociatedpneumaticsoftwarepropid.UGNX7.5useExcelsoftwaretocombinethree-dimensionalmodelingoftheblade.Then,usingthefiniteelementanalysissoftwareANSYS/Workbenchtobuildthesimulationmodelofmodalanalysis,accesstotheprevious12-ordermodeshapesandnaturalfrequenciesofthebladeinthestationarystateandtheratedspeed,conclusion,wavingandshimmymajorwindturbinebladevibrationformscanbeseenfromFiguremodalvibrationnodesmainlyinthetipofthebladethird.Fanbladefatiguedamagefromreality,themajorityofthebladetiptobreakthemainpointinthirdplace.Seeninprestressedmodalanalysisresultsleaves,leavesfromthefirst-ordervibrationmodeshowedsixbendingvibrationmodeshapesofleavesvisiblemainlyforwavingbendingmodes.Poweratdifferentspeedsofthebladeisjusttheresultofelasticdeformationofthebladewiththerotationoftheinteraction,thespeedincreases,theinertiaforcetoincreasethestiffness,themoretheincreaseofthenaturalfrequencyoftheblade.
Keywords:
windturbineblades,3Dmodeling,modalanalysis.
第1章绪论
1.1前言
近年来风力发电行业取得了快速发展[1]，并且风力发电机正朝着大型化的方向发展。
叶片作为风力发电机上捕捉风能关键部件，其曲面设计复杂困难。
叶片在朝大型化发展过程中，其自重增加，展长增大，同时承载复杂载荷，主要有重力载荷、惯性载荷和不定常变化的气动载荷，风机运行过程中受到这些周期性载荷，必然会产生持续的周期性振动，主要有挥舞，摆振以及扭振三种振动形式。
振动问题会引起机构的疲劳损伤和破坏，影响设备的运行稳定性，这给大型风力机叶片的设计提出更大挑战。
本文针对大型风力机叶片设计中的这些棘手问题，对大型风力机叶片三维模型建模和模态分析开展研究。
1.2研究的目的和意义
大自然中的风能具有不稳定、能量密度低地域分散等特点，风力机长期处在较为恶劣的大气环境中工作，长期受风剪切、表面污染腐蚀的影响，从而引起复杂的气动问题和流固耦合问题，对其安全性、可靠性提出了很高的要求。
叶片是风力机组件中结构最为复杂的装置，风力机的大型化对叶片设计和制造工艺的要求也逐渐提高。
风力机叶片的设计过程中包括叶片的气动设计和结构设计，气动设计主要根据空气动力学原理设计确定叶片的几何外形、表面光洁度等，其目的是确保风力机叶片得到较高的升力，能更好的获取风能。
结构设计主要是确定叶片的内部铺层等，确保叶片在受到离心力、弯扭距等情况下能够不发生失稳和局部较大变形，保证风力机安全稳定的运行[2]。
为了获得较好的气动性能，多把风力机叶片设计成不对称形状，这也加大了风力机叶片气动分析的难度。
CFD的数值模拟方法是目前较为常用的叶片气动性能分析方法，这些方法已成功应用于湍流、风剪切、偏航、塔影等各种定常与非定常的气动现象的理论研究与工程应用中。
由于风场中测风塔的数量限制，不同位置处的剪切风速分布亦可通过CFD软件求得。
2000年NRELPhaseVI盲比实验证明了CFD技术已成为分析叶片气动性能强有力的研究手段，即使是在流动具有很强三维性和深度失速的条件下[3]。
叶片大型化的发展趋势对其材料、强度、刚度、重量等方面的铺层结构设计提出了更高的要求，从而需要对叶片各部分的应力特征进行比较准确的分析来指导叶片的铺层结构设计[4]。
风力机叶片的结构分析主要包括模态分析、应力应变分析、疲劳寿命分析和流固耦合分析等。
常见的分析方法有实验分析和有限元分析，实验分析由于成本、可行性等因素只适用于尺寸较小的叶片，现在大型的风力机叶片更多采用有限元分析的方法。
我国的风力机制造行业相对国外起步较晚，虽然目前我们在世界风电行业的制造生产能力位于前列，但是我们还有很多不足。
我们得核心技术没有外国企业先进，很多技术还需要向外国企业购买，但由于很多核心技术的保密性，我们国内的风力机生产制造水平与外国企业还有一点的差距，因此，对于提高我国风力机叶片自主研发能力，探索提高叶片的气动性能分析和结构分析准确性的方法，具有十分重要的意义。
1.3风力机叶片气动性能的研究现状
目前水平轴风力机气动分析方法主要有实验和数值计算两大类。
实验方法包含风场测量和风洞实验，数值计算包括功率计算、动量．叶素理论、涡流理论、渐进加速势方法、CFD方法以及混合方法等。
空气动力学是目前世界科学领域里最为活跃、最具有发展潜力的学科之一。
世界各发达国家对空气动力学的发展都给予了高度重视，不惜花费巨额资金建设空气动力试验设施并开展研究工作。
风力机模型进行风洞试验时，风力机风轮模型要求满足一定的相似准则：
（1）几何相似，风力机的实物和风轮模型几何形状相似；
（2）运动相似，风力机实物和风轮模型的叶尖速比相同；（3）动力相似，风力机实物和风轮模型的雷诺数相同。
由此可知，如果风力机模型和实物的比例取1：
10，为了保证风力机模型和实物的运动相似和动力相似，要求风力机模型试验时的风轮转速是实物运行的风轮转速的100倍，也要求模型试验时的风速是实物运行风速的10倍。
大中型风力机的模型与实物的比例大，对风力机模型的转速和来流风速都有很高的要求，这时不仅要考虑空气压缩性的影响，对风轮模型的设计也带来很大的困难。
随着计算机技术的飞速发展，数值模拟软件的计算水平也在快速的提高。
先进的商用CFD数值模拟软件通过在旋转坐标系下对三维的N-S控制方程进行求解，通过添加湍流模型来解决粘性问题，为风力机气动性能的研究提供了精确的气动参数。
Agarwal和Dees[5]通过修正风力机叶片刨面的迎角估计了尾流对叶片的影响，并且求解了欧拉方程的尾迹流场。
Duque，VanDam和Hughes[6]利用CFD方法求解了纳维．斯托克斯（N-S）方程，并与实验结果进行了比较。
Madsen[7]。
对比分析了CFD方法和动量理论方法的计算结果。
Banesley，John，Naramore，Wood[8-13]等采用CFD方法对风力机在失速情况下的流场进行了数值分析。
早期的学者对风力机的CFD数值模拟投入了大量的精力，也获得和可喜的成绩，为现在的风力机气动分析打下了良好的基础。
随着数值计算、网格生成、边界层、湍流模型等技术的不断完善，CFD数值模拟必然会成为风力机气动研究的可靠方法，对风力机CFD模拟研究对风力机设计、气动性能的计算等不仅具有一定的学术意义，还有很高的工程价值。
1.4风力机叶片结构分析的研究现状
风力机叶片的振动性能对风力机叶片的载荷分布、可靠性、安全性都要直接的影响。
由于风力机叶片几何外形的不对称性、风剪切、旋转的因素，风力机叶片受到的载荷具有随机性和交变性，叶片的振动是不可避免的。
风力机叶片的振动是风力机的主要振动，对风力机叶片的结构动力学分析也是风力机分析中的重要一环。
国外的风电技术相比中国已经相当成熟，但结构分析大多基于小变形理论，现在已经开始进行非线性分析。
目前，国外的风力机计算机辅助设计的制造技术已经成熟并走向商业应用。
代表性的软件有英国的Garradhassan公司研制的“BladedForWindows”、荷兰Delft大学研制的“FOCUS”和ECN公司研制的“PHATAS-II”[14]。
WT_Perf是美国俄勒冈州立大学编写的使用动力叶素理论来预测风力机性能的程序，美国国家风能技术中间的员工对其进行了改进并增加了很多新的功能和算法[15]。
美国国家可再生能源实验室下属的国家风能技术中心在风力机分析和设计方面开发了几个程序：
ADAMS，FAST_AD和YawDyn等，不同程序对应不同的功能。
其中ADAMS是一款可视化的商用多体动力学分析软件，FAST_AD和YawDyn是俄亥俄州立大学开发的用于性能和结构响应的计算程序[16]。
DonghoonLee等[17]采用一种基于把风力机看成是带有刚性体和柔性体的多柔性体系统。
M.H.Hansen[18]利用特征值的方法来分析风力机气动稳定性。
AndersAhlstrom用非线性有限元软件MSC.MARC对风力机进行分析[19]。
Md.QuamrulISLAM和A.K.M.SadrulISLAM使用片条理论和叶栅理论对水平轴风力机的气动性能进行了计算分析，并指出在低叶尖速比是叶栅理论计算效果更好[20]，Wilson[21]等面试了ADC程序，ADC建立了2桨叶HAWT模型。
该模型包括了叶片的挥舞、转子的摆动偏转、塔架的顺风向横风向运动和传动链柔性，该程序允许输入具有不同尺寸、刚度和重量的桨叶，并可处理剪切风、塔影效应和湍流问题。
信伟平[22]引一利用自行开发的BLADEDESIGNFORWINDOWS中的叶片结构分析模块，建立叶片有限元模型，进行了风力机旋转叶片的动力特性及响应分析。
陈彦[23]．利用有限元法研究了桨叶与转子、机舱、塔架的动力响应。
韩新月[24]建立了风力机叶片在桨距角和转速变化时的动态气动分析模型，并对风力机叶片进行了结构动力分析及优化设计。
何婧等采用动量叶素理论进行风力机气动性能的计算分析，并用有限元模型对塔架进行了模态分析，建立风力机ADAMS柔性多体动力学仿真模型，并在MATLAB／Simulink环境下建立风力机传动链的数学模型，同时进行传动链系统的编程运算，充分考虑了气弹耦合特性以及传动系统的影响，最终实现在MATLAB／Simulink和ASAMS基础上对风力机系统振动性能的联合仿真[25]。
仿真数据同国家著名的风力机分析软件Bladed计算数据进行了比较，分析表明，改联合仿真方法可以较好的模拟风力机的振动特性[26]。
1.5风力机叶片模态分析研究现状
模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。
通常，理论计算和实验研究都是相互补充和相互促进。
有限元计算确定计算结构的动力学模型，然后使用实验确定特征参数等，在动力学模型的基础上可以计算整个结构对激励的响应，以及进行结构动力学优化修改。
赵娜等[27]以1MW水平轴风力机叶片为例，应用ANSYS有限元软件，通过APDL参数化语言实现风力机叶片的有限元建模。
利用ANSYS建模技术对风力机叶片进行模态分析及稳定性分析。
李德源等[28]水平轴风力机旋转风轮振动模态汁算分析方法和影响固有频率汁箅结果的因素进行了研究。
应用多体动力学的方法．探讨了旋转叶片动力刚化效应产生的原因；考察了叶片动力刚化效应阱及玻璃钢／复合材料的各向异性性质对叶片振动模态的影响。
王旭元等[29]利用ANSYS有限元软件，建立复合材料风力机叶片的有限元模型，输入复合材料特性参数，施加边界条件，求解计算，确定风力机叶片模态和频率，为叶片铺层结构设计提供依据。
张春丽等[30]采用桥联理论与有限元软件结合的方法，对三维结构复杂的复合材料风机叶片逐次破坏过程和极限承受载能力进行了数值模拟和计算，同时利用NREL开发的专门计算合法材料和叶片性能的Precomp程序计算出叶片截面的力学参数。
第2章叶片建模简介与建模软件
2.1叶片建模简介
随着高性能计算机的普及．数值模拟技术的飞速发展．风力机的气动模拟计算、振动模拟计算等都对风力机的三维造型有更高的要求。
风力机叶片又是风力机中最关键．也是受力最复杂的部件．其设计的好坏对整个风力机的性能有着决定性的意义[31]。
然而，由于风机叶片的外形与内部结构较为复杂，一般由前缘、后缘、梁帽、腹板等不同区域组成的，不同的区域具有不同的复合材料铺层，因此在结构分析的三维壳模型建模过程中必须把叶片壳体按照铺层方式的不同分割为不同的材料面，以便对其赋予各自的复合材料参数。
特别是在翼展方向存在扭转角和渐缩的弦长。
叶片的三维建模就很困难，目前来讲，风力机叶片建模有两种方法是:
第一种是采用三维建模软件如Pro/E/、UG、Solidworks等建立模式，一般步骤是首先通过坐标变换得到三维坐标系，然后将所得到的点输入至UG或者其他三维建模软件，再绘制出相应的曲线，最后生成相应的叶片模型[32-37]。
第二种是利用ANSYS直接建模。
本文就是基于通用的办公软件EXCEL和强大的曲面建模功能软件UG对风力机叶片进行三维建模研究．并应用该方法对750kW水平轴风力机叶片进行参数化建模．为后续的工作，即对叶片气动性能．叶片的刚度、强度和使用寿命等性能分析奠定了强有力的基础
2.2UGNX产品简介
SIEMENSPLMSoftware的旗舰数字化产品开发解决方案NX软件性能优良、集成度高，功能涵盖了产品的整个开发和制造等过程。
NX建立在为客户提供优秀的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。
NX的独特之处是知识管理基础，工程专业人员可以使用其来推动革新以创建出更大的利润，还可以管理生产和系统性能知识，并根据已知准测来确认每一设计决策。
利用NC建模功能，工业设计师能过迅速地建立和改进复杂的产品形状，并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度满足设计概念的审美要求。
UG／实体建模模块将基十约束的特征造型功能和显式的直接儿何造型功能无缝地集成一体，提供业界最强大的复合建模功能，使用户可充分利用集成在先进的参数化特征造型环境中的传统实体、曲面和线架功能。
该模块提供用于快速有效地进行概念设计的变量化草图工具、尺寸驱动编辑和用于一般建模和编辑的工具，使用户既可以进行参数化建模又可以方便地用非参数方法生成二维、三维线架模型，扫掠和旋转实体以及进行布尔运算；也可以部分参数化或将非参数化模型后参数化，方便地生成复杂机械零件的实体模型。
UG／自由曲面建模模块独创地把实体和曲面建模技术融合在一组强大的工具中，提供生成、编辑和评估复杂曲面的强大功能，可以方便地设计如飞机、汽车、电视机及其他工业造型设计产品上的复杂自由曲面形状。
这些技术包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动、等矩或不等距偏置、曲面剪裁／编辑等。
该模块同时支持通过一组曲线线架逼近或通过测量点云逼近生成曲面等逆向工程的功能。
生成的曲面模型既可通过修改定义曲面的曲线、改变参数数值，也可利用图形或数学规律来控制曲面形状，例如可变半径倒圆角或可修改截面积的扫掠曲面。
生成的曲面模型与所有其他Unigraphics功能完全集成。
该模块还包括了易于使用的复杂曲面形状、尺寸和曲率光照评估检查工具。
2.3本章小结
本章主要介绍了风力机叶片的建模方法和本文建模用到的软件UGNX7.5在三维建模方面的优势，为后续的建模工作奠下坚定的基础。
第3章叶片模态分析理论与ANSYS软件介绍
风力机结构动态特性分析涉及多方面的内容，其中主要是研究风轮的固有频率和振型，从而分析风力机在外载荷作用下的结构动力学特性。
目前研究静止风轮结构动态特性广泛采用的是模态分析。
它的主要方法是将耦合的运动方程组解耦成为相互独立的方程，通过求解每个独立的方程得到各模态的特性参数，进而就可以用所求得的模态参数来预测和分析该系统的运动特性等。
模态分析分为计算模态分析和试验模态分析两种。
试验模态分析针对具体的叶片进行，结果可靠，因此本文中采用试验模态分析的方法来研究风力机的结构动力学特性。
风力机是旋转机械，风轮旋转过程中，固有频率会随着转速的升高而升高，这涉及到动频问题。
3.1叶片模态分析理论
模态分析技术从20世纪60年代后期发展至今已趋成熟，它和有限元分析技术一起成为结构动力学的两大支柱模态分析作为一种“逆问题”分析方法，是建立在实验基础上的，采用实验与理论相结合的方法来处理工程中的振动问题。
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。
通常，模态分析都是指试验模态分析。
模态分析的经典定义：
将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。
坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。
模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，这些振动特性包括固有频率、振型、振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动）等。
模态分析是所有分析类型中的最基础的内容。
机械结构系统通用运动方程为:
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