基于Abaqus的风力叶片屈曲数值分析与模拟.pdf
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1、2023 年 11 月第 19 卷 第 4 期系统仿真技术System Simulation TechnologyNov.,2023Vol.19,No.4基于Abaqus的风力叶片屈曲数值分析与模拟王博文,邓航*,张文伟,赵建刚(株洲时代新材料科技股份有限公司 风电产品事业部,湖南 株洲 412000)摘要:随着风电叶片长度的不断增加,屈曲稳定性验证成为校核叶片可靠性的关键工作。本研究通过观察某90 m级叶片挥舞工况,基于Abaqus有限元软件,探索应用线性特征值及非线性Riks 2种方法对叶片屈曲进行对比分析。分析结果表明,特征值方法得到的屈曲因子为1.978,Riks方法得到的屈曲因子为1
2、.653,均满足IEC61400-5标准,证明了该叶片的可靠性;同时,采用Riks方法可考虑叶片制造误差及几何非线性,能够准确地预测出叶片局部屈曲的位置,可推广于叶片结构校核工作中。关键词:风力叶片;有限元法;稳定性分析;非线性屈曲Numerical Analysis and Simulation of Wind Blade Buckling Based on AbaqusWANG Bowen,DENG Hang*,ZHANG Wenwei,ZHAO Jiangang(Wind Power Product Division,Zhuzhou Times New Material Technolo
3、gy Co.,Ltd.,Zhuzhou 412000,China)Abstract:With the increasing length of the wind turbine blade,the buckling stability verification becomes the key work to calibrate the reliability of the blade.This paper takes a 90m-class blade waving condition as the research object.It explores the application of
4、linear eigenvalue and nonlinear Riks two methods to compare and analyze the blade buckling based on Abaqus finite element software.The analysis results show that the buckling factor obtained by the eigenvalue method is 1.978,while the bucking factor obtained by the Riks method is 1.653,both of which
5、 satisfy the IEC61400-5 standard.The reliability of the blade design was proved.Meanwhile,the Riks method can take into account the manufacturing error and geometric nonlinearity of the blade and accurately predict the position of the blades local buckling,which can be popularized in the structural
6、calibration of the blade.Key words:wind blade;finite element method;stability analysis;nonlinear buckling随着风力发电行业的迅速发展,叶片长度不断增加,结构设计安全余量逐步降低。叶片作为核心的捕风装置,其结构安全稳定是风机正常运行的前提。根据叶片的结构特点,屈曲已成为叶片极限工况下的主要失效形式1-2。由于全尺寸试验检验叶片承载能力与结构可靠性的成本过高,故基于有限元的仿真分析一直是验证叶片结构设计稳定性的主要手段。风力叶片研发伊始,研究者基于有限元方法针对叶片屈曲失效进行了大量的工作。薛彩
7、虹等3基于Abaqus采用线性特征值屈曲方法分析了40 m级叶片的稳定性。李成友等4应用Nastran软件中特有的特征值抽取算法判断34 m级叶片的临界失稳点,并计算出屈曲因子。张立等5基于 ANSYS 软件研究了NREL 5MW风力机叶片承受弯扭耦合载荷作用下的通信作者:邓航,E-mail:WBW中图分类号:TB332 文献标志码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.04.003王博文,等:基于Abaqus的风力叶片屈曲数值分析与模拟线性屈曲特征。由此发现,大部分研究都基于特征值屈曲的分析方法,特征值屈曲以小位移、小应变的线性弹性理论为基础,忽略了结构在受载变形过程中结构
8、构形的变化6-7,而叶片结构复杂、铺层繁多、变形较大,基于线性方法难免存在误差,故IEC61400-5标准和DNV-0376标准均提出了基于非线性的叶片屈曲分析方法,旨在准确地预测叶片承载能力,进而指导叶片结构铺层设计。在大兆瓦、小节圆、超长叶片设计成为当前研发主流的情况下,对风电叶片进行非线性屈曲研究具有工程应用价值。基于上述讨论,本研究应用Abaqus有限元软件对某90 m级叶片进行屈曲分析,采用线性、非线性2种方法对挥舞工况的临界载荷进行求解,并对2种方法进行比较分析。1 有限元模型 某90 m级叶片为双腹板结构,如图1所示为叶片截面,蒙皮、主梁是叶片最主要的部分,主梁承担叶片绝大部分的
9、弯曲载荷,而蒙皮起气动作用且承担部分弯曲载荷及大部分的剪切载荷,其中弯曲载荷为总载荷的20%30%。1.1叶片有限元模型基于外部气动外形的输入,应用Foucs进行模型建立,依据铺层设计划分结构区域,并划分网格,网格尺寸为 50 mm50 mm,如图 2 所示。将模型导入Abaqus 有限元软件中,应用 Python 与 Abaqus 的接口进行编程并对叶片模型进行铺层,其中叶片蒙皮应用S4r壳体单元,结构胶应用C3D8R实体单元。1.2边界条件在实际运行中,叶片与轮毂通过螺栓相连,结构分析时将其简化为悬臂梁模型,对叶根部进行固定全约束。叶片的载荷形式根据整机气动模拟得到的弯矩载荷等效转换为集中
10、力,施加在叶片主梁位置,如图 3所示。2 屈曲分析方法 屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性,以及确定结构失稳的临界载荷,包括线性屈曲和非线性屈曲分析。屈曲稳定性分析的意义就是为进一步优化结构提供依据。2.1特征值屈曲分析法线性特征值屈曲分析法适用于对理想弹性结构的理想屈曲强度进行预测,主要是使用特征值公式计算造成结构负刚度的应力刚度阵的比例因子。结构在达到屈曲载荷之前其位移变形曲线表现出线性关系,达到屈曲以后曲线将跟随另外的路径。发生转折的这一点称为分支点,分支点的载荷称为屈曲载荷,结构发生屈曲的不同形态成为屈曲模态6。特征值屈曲的基本计算逻辑如下,令外载荷为P0,对应的位移为U0,
11、Ke为弹性刚度矩阵,则有KeU0=P0,为与U0对应的应力,可以得到增量平衡方程,如式(1)所示。P=Ke+KG()U(1)其中,KG()为初始应力矩阵,假设线性弹性屈曲是一个外加载荷P0的线性函数,则有P=P;U=U0;=0;KG()=KG(0),此 时 增 量 平 衡 方 程 如式(2)所示。P=(Ke+KG(0)(2)当P=0时发生线性屈曲,则有Ke+KG()0U=0(3)其中,即上述方程的最小特征值解,代表临界载荷比图190 m级叶片截面图Fig.190 m-class wind turbine blade cross-section图290 m级叶片有限元模型Fig.290 m-cl
12、ass wind turbine blade finite element model图3叶片有限元模型边界条件Fig.3The blade finite element model boundary condition309系统仿真技术第 19 卷 第 4 期例因子,最小特征值乘以初始载荷得到临界载荷,即抗屈曲值。2.2非线性Riks分析法Riks是求解非线性屈曲应用较为广泛的方法,其基本思想是假定载荷沿弧长方向增加或减小,Abaqus中提供了修正的 Riks算法,其位移-载荷示意曲线如图4所示。通过沿切线移动到给定距离至当前解时限制增量大小,进而结合获得的点且与同一切线正交的平面中进行搜索
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