新型5MW风电机组叶片模型的三维建模与强度分析设计备课讲稿.doc

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This paper first discusses the advantages of the wind power generation and the development of wind power generation industry in China, then the following have been studied profoundly combined with the blade structure and working condition.Firstly with the existing types of fan blade design model, using a NACA4412 airfoil，with the help of 3-D modeling software and coordinate transformation, a three-dimensional model of blade was built up through Pro/e, based on the coordinates of blade sections. This laid a foundation for farther dynamic analysis.Secondly by using the ANSYS finite element analysis software for strength analysis of the fan blades to get the stress, strain cloud pictures provide a theoretical basis for optimization design.前言能源和环境是当今人类社会生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾也日益突出。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用己受到世界各国的高度重视。据估计，地球上所接收到的太阳辐射能大约有2%转换成风能，装机容量可达10TW，每年可发出电力13PW.h1。近20年，发达国家在风力发电技术领域上己取得巨大的成就。并网运行的风力发电机组单机容量从最初的数十千瓦级已发展到兆瓦级;控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距和变速恒频发展，预计在最近的几年内将推出智能型风力发电机组；运行可靠性从20世纪80年代初的50%，提高到98%以上。并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制2。2001年10月，全世界风力发电装机容量突破了20000MW，其中当年新增容量达到 5000MW3。随着煤、石油、天然气等传统化石能源耗尽时间表的日益临近，风能的开发和利用越来越得到人们的重视，已成为能源领域最具商业推广前景的项目之一，目前在国内外发展迅速。而风力发电机转子叶片则是风力发电机组的关键部件之一，其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率。随着联网型风力发电机的出现，风力发电进入高速发展时期，传统材料的叶片在日益大型化的风力发电机上使用时某些性能已达不到要求，于是具有高比强度的复合材料叶片发展起来。本课题主要采用ANSYS软件对某风电机组叶片进行三维建模，并在此基础上对其进行强度分析，从而为优化设计提供理论依据。1.风力发电简介1.1风力发电现状近些年，随着世界经济的迅速发展，对能源的需求持续增加，与此同时带来的全球油价维持高位，天然气价格不断攀升等问题日益突出。为解决能源危机，从20世纪70年代开始，各国政府和国际组织为新能源、可再生能源的开发和研究投入大量资金，目的在于寻求一条经济有效、可持续的发展道路。与核能、太阳能、生物质等各类新能源相比较，风力发电具备技术相对成熟，大规模开发门槛低、成本相对偏下等特点，在市场上具有一定的竞争力，受到普遍重视，成为行之有效的解决能源和环境问题的重要措施之一4。目前，全球风力发电产业发展迅速，年平均增长率保持在29%左右;据全球风能协会(GWEC)公布的数据，2008年全球新增风电总投资达475亿美元，新增装机容量达27. 26 GW，比上年增长36%;到2009年底，全球装机容量已达到1.6亿千瓦，平均增长30%;据国际能源署公布的预测资料，到2020年全世界风力发电容量将达到12.6亿千瓦，是2002年世界风力发电装机容量的38.4倍。由此可见，风力发电正在受到越来越多的重视，且以势不可挡的发展态势在经济市场中占据着一定的地位。 从装机容量方面来看，世界风能协会(WWEA)发布的2009世界风能报告公布的一系列数据和资料表明风力发电的迅速发展:2009年世界风电总装机容量达到159213 MW，当年新增容量38312MW，增长率达31.7%，达到2001年以来最高的年增长率;风电容量继续每3年翻1番，至2009年底全球风力发电量达到340TWh，相当于意大利全年总需电量或全球全年总用电量的2%; 2009年全球风力发电行业的营业额达500亿欧元，共雇员55万人，预计在2012年风力发电行业将首次提供100万个工作岗位;中国在风力发电行业占据着重要位置，将继续发挥火车头的作用，2009年新增装机容量13800MW，连续4年翻番2倍以上，成为风力发电机的最大市场;美国、中国、德国、西班牙、印度五大风力发电国家共占全球风电容量的72.9%，略高于2008年的72.4%;随着巴西和墨西哥的发展，拉丁美洲风力发电也出现令人鼓舞的增长.根据主要风力发电国家的规划，风电在未来仍有巨大的发展空间。以欧洲为例，计划到2020年实现风力发电占总发电量的12%，而目前各国风电覆盖率水平较低，全球平均风力发电量仅占总发电量的1.19%，要实现12%的目标，还需增长近十倍。风电发展较好大国中，2007年底德国风力发电量占总发电量的4.34%，西班牙为7.78%，属于欧洲较高水平，而美国的风电覆盖率仅有 0.73%。总而言之，风力发电在美国、中国、印度以及欧洲部分国家的增长仍将非常迅速。根据丹麦BTM公司观测，未来五年内风电机组装机容量仍呈现上涨趋势。中国由于其庞大的消费人口以及近20年经济的迅速发展己成为世界第二大能源消费国，面临着严重的能源问题，电力持续短缺便是其主要问题之一，因此新能源发电技术的研究开发与发展迫在眉捷。自2000年以来，我国风电产业开始驶入发展的快车道，到2003年，已建有40个风力发电站，发电量达到56.7万千瓦，其中以新疆的达坂城发电站规模最大。“十五”期间，我国风电并网迅速发展，全国装机总容量达到126万千瓦，位居世界第10位，亚洲第三位，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2005年是中国发电设备容量规模历史性突破的一年，生产结构进一步优化，除台湾省外新增风电机组592台，累计风电机组1864台，新增装机容量50.3万kw，累计装机容量126.6万kw。近几年，为满足我国持续持续增长的经济要求，国家发改革委制定了中长期能源战略规划，力争到2020年，使风电装机容量达到3000万kw，相当于替代了2200万吨标准煤，同时使我国的风电设计、制造和管理技术达到国际先进水平。此外还将陆续出台各项可再生能源管理和实施办法，为风电等各种新能源提供良好的政策保障。1.2风力发电趋势发展风电已是不可逆转的潮流，当今世界风电发展的趋势是大型化、海洋化、调速化。l)单机容量增大:为提高风能利用率，降低使用成本，5一6MW的海上风电机组已经推向市场，风力发电机组正趋向大型化。2)风电机组通过不同的调节方式提高风电效率，目前比较普遍的是定桨距失速调节和变速变桨距调节;3)风电机组发电机驱动方式多样化，主要有双馈式、直驱式和混合式。其中直驱式由于其节约投资、减少传动链损失和停机时间以及维护费用低、可靠性好等特点，在市场上占有越来越大的份额5。从国际趋势来看，风电机组发电机驱动方式由直驱式和混合式取代双馈式己成为主流。4)海上风能资源丰富，因此海上风电的大规模开发与发展将是一种必然趋势。1.3风力发电机叶片现状1.3.1叶片技术现状风力发电机装机容量不断增长的大趋势要求单机容量越来越大，随着风电机组向大型化发展，叶片长度也不断增加。德国RePower公司和Enercon公司首先供应了SMW和6Mw的风力涡轮机。ReP0wer的SMw涡轮机的转子直径为126m，叶片长度为61.5m;Enereon的6MW涡轮机转子直径127m，叶片长度58m。然而，这样大的尺寸还不是极限。Enercon己在调研能否达到SMw的发电量，其他设计人员正在考虑10、12甚至巧MW的涡轮机，2020年的目标是20MW。叶片作为接收风能的主要部件，在整个风电设备系统中的地位尤显重要，要求其具有合理的翼型设计、优质的材料和先进的工艺，其设计、制造和性能成为了重点研究和大力发展的目标。目前对于叶片的研究集中在翼型、结构、材料和工艺制造方面6。l)翼型选择风力机叶片翼型的性能直接影响风能转换的效率，传统的风力机叶片翼型一般沿用航空低速叶片翼型，但是相较于风力发电机的特殊性以及粉尘污染、风蚀的工作环境，航空低速叶片不能满足风电需求。从80年代中期开始，风电发达国家开始研究风机叶片专用翼型，通过风洞实验和数值计算的方法成功开发出许多专用翼型系列，比如美国Seri和 NREL系列，能有效减小由于叶片表面粗糙度增加而造成的风轮性能下降;丹麦RISO一A系列，能在接近失速时具有最大升阻比;瑞典FFA一W系列，具有较高最大升力系数和升阻比;荷兰DU系列，具有限制的上表面厚度，低的粗糙度。2)材料研究玻璃纤维增强材料叶片:由于叶片长度加倍后掠风面积可达4倍，以致捕获4倍的能量，所以叶片长度也在不断增加。据计算，叶片重量与风轮半径R近似成3次方关系。鉴于此，复合材料以其材料轻，刚度好，抗疲劳性好，抗腐蚀性强，易于处理等特点成为风电叶片使用最普遍的材料。一般情况下，22m以下的叶片采用玻璃纤维，大于42m的叶片采用碳纤维或碳玻混杂纤维，如NEGMicon NM82.40m长叶片， LM61.sm长叶片都在高应力区使用了碳纤维。碳纤维增强材料叶片:对于大型叶片，为保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具备足够的刚度，刚度标准已成为新一代MW级叶片设计的关键。既要减轻叶片质量，又要满足刚度与强度的要求，采用碳纤维增强材料是行之有效的途径。碳纤维增强材料的拉伸模量是玻璃纤维增强材料的2一3倍，其性能远远优于玻璃纤维。美国zoltek公司生产的队NEX33(48K)大丝束碳纤维具有良好的抗疲劳性能，使叶片质量减轻40%，成本降低14%，并使整个风力发电装置成本降低45%。鉴于碳纤维价格是玻璃纤维的10倍左右，制造大型仆卜片时，采用玻璃纤维与碳纤维混杂增强的方案可在保证刚度和强度、降低成本的同时减轻叶片质量。目前世界上最大的碳纤维与玻璃纤维混杂增强材料风机叶片是Nodex公司为海上风电SMW机组研制的长度为56m的叶片，此外还开发了43m(9.6t)的碳纤维/玻璃纤维风机计卜片，用于陆上2.SMw机组。3)制造工艺研究大型风力机叶片大多采用组装方式制造，分别在两个阴模上成型叶片蒙皮，分别在专用模具上成型主梁及其他玻璃钢部件，然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起，合模加压固化后形成整体叶片。FRP叶片的成型工艺大致有:手糊工艺、真空辅助注射、树脂传递模塑(RTM)、SCRIMp浸渍工艺、纤维缠绕艺(Fw)、纤维铺放工艺(FP)、木纤维环氧饱和工艺(wEsT)、模压工艺，这些方法各有侧重。手糊工艺:属于传统叶片成型工艺，也称作湿法成型，将纤维基材铺设放在单模中，然后用滚或毛刷涂覆玻璃布和树脂，常温固化后脱膜，该法以手工劳动为主，成本低，用于低成本、形状复杂制品。干法成型属于新兴技术，先将纤维制成浸料，现场铺放，加温(或常温)加压固化，其生产效率高，由丹麦的Vestas公司首创并大量应用。树脂传递模塑(RTM):属于最新发展的叶片成型方法，将纤维预成型体置于模腔中，注入树脂后加温成型。该法是目前世界上公认的低成本制造方法，发展迅速，应用广泛，并衍生出多种方法，主要有生产大型叶片用的VARTM和SCRIMP法。VARTM即真空辅助灌注技术是近几年由RTM改进发展起来的一种工艺。应用真空，以高渗透率介质作引导将树脂注入结构铺层中，多用于形状复杂的大型制品。国外在成型大型玻璃钢产品中有所应用，在我国，由于受到市场、技术、材料、资金等方面的限制和影响，复合材料叶片制造厂家多采用湿法手糊工艺，该工艺己难以实现兆瓦级大型风力机叶片，VARTM则是解决这一问题的新型工艺。上海玻璃钢研究院在研制IMW风力机叶片时采用该工艺，通过多次试验，摸索解决了布管方式、真空度控制、树脂选择、铺层皱折等一系列技术问题，使叶片成型工艺技术水平得到大幅提高。纤维缠绕工艺:借鉴复合材料管道缠绕成型工艺而成，较其它各类成型工艺而言，制品强度高、质量稳定、可重复性好。其技术参数主要涉及纤维张力控制、缠绕速率和缠绕角的控制等。由于叶片典型的非回转体结构特点，应用该方法成本高，线性设计复杂，有待进一步发展。综上所述，叶片制造工艺正在向着多样化、综合化的方向发展，除以上介绍的工艺方法外，还有热融性环氧预浸料、硬质泡沫发泡和多轴铺层技术等。目前，国外已实现先进工艺的产业化应用，而我国RTM工艺还仍外于试验阶段。1.3.2叶片研究现状 叶片设计是一个优化设计的过程，它本身是一个气动与结构相互妥协的产物，设计优化目标是从最开始的叶素功率输出最大化到年输出功率最大化再到现在的性价比最优化。叶片气动设计包括气动外形设计及气动性能计算，根据风力机总体性能要求确定风轮直径、叶片数、转速、叶片弦长、叶厚、扭角分布。为有效提高比强度并降低成本，叶片的研究重点集中在叶片翼型设计上。丹麦LM公司提出了Future Blade”的概念，且己在其54m和61.5m巨型叶片上使用了这种设计概念。LM公司研发部经理Frank V. Nielsen认为未来叶片设计的关键已从效率最大化转移到能量成本(COE)最优化，叶片将会更加细长，这种设计技术将会降低叶片载荷，叶片质量分布更加优化，材料成本将会降低，产品质量将更加得到保证7。 目前，国外有关叶片的相关研究主要集中在叶片结构设计过程中的数值分析方法研究。如根据遗传、数值等迭代算法，利用已知条件，通过迭代过程逐渐接近设计目标。对于系统的叶片结构设计方法的研究成果不多，大部分的研究着重于对算法的改进，以提高迭代过程的准确性与快速性8。国内有关叶片结构设计方法的研究主要是对己有叶片进行仿真与数值分析，基本没有提出实用的系统设计和校核方法，未能说明叶片怎么样从无到有的设计过程，同时尚缺乏有针对性的设计依据和准则，对于与结构设计相关的载荷等问题也没能给出明确且有意义的答案，其有限元数值分析方法也都是基于实际叶片测量数据9，基本没有针对自主设计叶片的校核分析。1.4研究内容叶片是风力发电机的一个主要零件，它把风力机与其它机械区分开来，并作为风力发机的“呼吸中心”起着重要作用。叶片长度决定了风力机能从风中获取多少能量，这是因为它影响着叶轮的扫掠面积。风轮叶片的优化设计要满足一定的设计标准：年输出功率最大化；最大功率限制输出；振动最小化和避免出现共振；材料消耗最小化；保证叶片结构局部和整体稳定性；叶片结构满足适当的强度要求和刚度要求。本课题采用NACA系列翼型研究叶片建模方法和控制参数的改变对叶片形状的影响，采用ANSYS建模研究方法，研究叶片在各种工况下的强度和刚度，进而优化叶片参数达到优化叶片模型的目的10。具体内容如下：在有限单元法的理论下，根据已有的叶片翼型，利用大型通用有限元软件 ANSYS建立叶片的有限元模型，采用壳体单元 SHELL63 对模型进行离散化，对建好的有限元模型施加工况条件，进行结构分析，施加气动力、惯性力和重力载荷对建好的模型进行加载对叶片模型ansys结果进行分析！1.5 常用翼型介绍目前在翼型设计制造和生活研究中，常采用以下几种翼型：1）NACA（44064415）翼型这是美国航空咨询委员会研制的翼型。四位数字的含义是：第一位数字4表示翼型的最大相对弯度（拱度）为4；第二个数字4表示翼型最大厚度处离前缘的距离为弦长的4/10，即4/10l；后两位数字表示最大相对厚度的百分数，即615。2）哥丁根（Gottingen）翼型这是 1921 年在德国哥丁根研制的翼型。3） 翼型这是前苏联水力机械研究所专门为水力机械研究的翼型。4）RAF6 翼型（英国翼型）5）圆弧翼型6）791 翼型2.叶片建模2.1叶片建模方法比较在有限元分析中，分析对象几何模型的好坏直接影响分析结果的准确性。通常情况下，有以下三种建模方法11:1.输入实体模型:即采用三维CAD建模软件创建模型，转换格式后导入ANSYS软件进行分析，其优点是基于CAD软件强大的建模功能使得建模简便可行，尤其是对于外形结构复杂的分析对象，相比于在ANSYS中建模节省大量的时间;缺点是从CAD软件中导入的模型不适于网格划分，需要做大量的修补工作，甚至由于安装版本、转换格式等限制导致引入模型不完整等问题。并且几何建模与结构分析过程难以一次完成，使得分析模型精度降低。2.直接建模:该方法是利用有限元程序直接定义节点和单元，适用于小型或简单模型的生成，并能够对几何形状及每个节点和单元的编号完全控制。优点只针对简单零件而言，计算量小、对机器配置要求不高;缺点针对复杂或庞大零件而言，操作乏味繁琐，且有时不可能实现准确的计算，并且生成的模型严格按照节点和单元的顺序定义组集而成，单元必须在节点全部生成后才能定义，并不能利用自适应网格划分功能，进一步改进网格十分困难，使优化设计很不方便。3.实体建模:通过直接描述模型的几何边界、形状和尺寸等特性来创建模型，在ANSYS软件中通过创建点、线、面、体的方式生成实体模型，可采用自底向上、自顶向下或二者混合的方式建模，并且可利用布尔运算、拖拉、旋转、镜像操作，大大减小工作量，提高效率。同时，能对生成的实体模型采用自适应方式、自由网格、映射方法划分网格，便于加载后进行局部网格细化以及几何上的改进和优化。根据自身的情况，考虑到叶片形状特点：翼型是沿叶片伸展方向上某一位面的轮廓线，且在连接处跟尾部都有过渡部分，本文采用Pro/e进行三维建模再导入到ansys中12。2.2翼型选择现代风力机通常是采用三叶片的上风或下风结构。风力机叶展形状、翼型形状与风力发电机的空气动力特性密切相关。一台好的风力机应当尽量增加升力而减小阻力，使之尽量趋于最大值，以增加风力机的风能利用系数13。叶片通常由翼型系列组成。由于叶片根部各翼型力臂较小，对风力机风轮输出扭矩贡献不大，所以叶片根部对风力机性能影响较小，主要考虑加工方便和强度问题。在尖部采用薄翼型以满足高升阻比的要求；根部采用相同翼型或较大升力系数翼型的较厚形式，以满足结构强度的需要。典型运行工况下的雷诺数范围是14。常用的翼型有 NACA44xx 系列、NACA644xx 系列和 NACA230xx 系列等航空翼型；专用翼型有美国的 SERI 翼型系列以及 NREL 翼型系列、丹麦的 RISA 系列翼型和瑞典的 FFAW 系列翼型族。根据不同的设计需要选取翼型。翼型数据及其气动性可参考 profili 软件、中国气动力研究与发展中心的文献等。从 profili 软件导出 NACA4412 的翼型数据。导出如图所示2-1 所示。导出 NACA4412.DAT 文件。翼型数据见表 2-1图2-1 NACA4412翼型数据的导出表2-1 NACA4412翼型数据NACA 44121.0000 0.00130.9500 0.01470.9000 0.02710.8000 0.04890.7000 0.06690.6000 0.08140.5000 0.09190.4000 0.09800.3000 0.09760.2500 0.09410.2000 0.08800.1500 0.07890.1000 0.06590.0750 0.05760.0500 0.04730.0250 0.03390.0125 0.02440.0000 0.0000 0.0125 -0.0143 0.0250 -0.0195 0.0500 -0.0249 0.0750 -0.0274 0.1000 -0.0286 0.1500 -0.0288 0.2000 -0.02742.3叶片各截面空间实际坐标的求解2.3.1 基本原理图形变换的实质是对组成图形的各顶点进行坐标变换15。运用齐次坐标的方法，可将三维空间点的几何变换表示为：其中，T是4*4的变换矩阵，即：T=其中，左上角子矩阵产生三维图形的比例、对称、错切和转换变换；左下角子矩阵产生平移变换；右上角子矩阵产生透视变换；右下角子矩阵产生全比例变换。2.3.2叶片截面坐标变换要进行叶片三维造型，首先是对叶片的截面进行坐标转换，使叶片各剖面坐标转化到相应的三维空间坐标中去。具体可按下述步骤来实现:首先获得翼型剖面曲线坐标，再转化为以气动中心为坐标原点的平面坐标，最后经过平移、旋转至相应的三维空间坐标(x，y，z)。设叶片r=o的叶素平面为xy平面，叶展从叶根至叶尖方向定位z轴正向，三维空间原点设在r=o的叶素平面的气动中心处。翼型轮廓离散点坐标为(x，y，z)。设气动中心的坐标为则以气动中心为原点，弦线为x轴的轮廓二维坐标为=-再结合实际弦长得实际叶素坐标=*L经旋转，平移得三维空间的实际坐标为通过EXCEL可完成各翼型截面上所有离散点的空间坐标计算，部分数据如表2-2：表 2-2 部分截面坐标数据2.4叶片立体图的pro/e建模实现通过上述过程获得各叶素空间实际坐标(x ，y ，z)，进而可通过各种绘图软件直接绘制叶片。2.4.1绘制各叶素轮廓线。第一步：把一个叶素计算出的 x，y，z 坐标数组，在 Excel 中的数据点排成 3 列。第二步：把这三列数据复制到一个文本文件 txt 中，在文本文件中也要排成 3 列，数据前写入文字open Arclength begin section!1 begin curve；第三步：把文本文件后缀名改为ibl格式，然后保存；第四步：在 pro/e中建立叶素翼型的样条曲线。在建模过程中执行插入样条曲线，选择通过点形成，选择从文件中的点，选中你刚才保存的ibl文件，就画出了该叶素的翼型曲线。如图2-2.图 2-2 叶素翼型曲线形成重复上述过程，计算 18 个截面各点的空间坐标，导入pro/e，画出各截面的翼型曲线。如图 2-3 所示：图 2-3 各截面翼型曲线叶根部分考虑了安装和结构的过渡性,按结构要求绘制，叶片根部各翼型力臂较小，对风力机风轮输出扭矩贡献不大，所以叶片根部对风力机性能影响较小。叶根部分考虑了安装和结构的过渡性,按结构要求绘制，本文用圆周型连接。如图2-4所示：图2-4 叶根部分曲线2.4.2通过曲线创建叶片的自由曲面。在pro/e中通过各个叶素的样条曲线，创建整个叶片的自由扭曲的曲面形状。如图 2-5 所示:图2-5 各叶素形成的曲面3.叶片有限元分析3.1翼型主要设计参数机的机翼、轮船的螺旋桨，以及轴流式压缩机、水轮机、泵（风机）的叶轮叶片等，其断面形状都是机翼形。机翼的形状如图3-1所示图中l称为翼弦长度，b称为翼展，l /b称为展弦比。如机翼的翼弦长度不是定值时，求展弦比可用翼弦长度的平均值。根据展弦比的不同，可把机翼分为两种：一为有限展翼比机翼，或称有限翼展机翼，如图 3-1(a)所示；另一种为无限展弦比机翼，或称无限翼展机翼，其翼展长度为无限大，如图 3-1(b)所示。当然翼展不可能无限长，如果机翼的两端是固体壁，例如轴流泵等的风轮叶片，就可看作是无限翼展机翼。图3-1 机翼 图3-2 翼型垂直于翼展重心轴线的机翼剖面称为翼型或翼型剖面。如图 3-2所示。1） 翼弦长度连接翼型前、后缘点的直线长度称为翼型长度。2） 翼型厚度 y 在垂直于翼弦方向上，翼型上下表面之间的各线段长度，称为翼型厚度，其中最大的厚度以表示，最大厚度与翼弦的比值/L称为最大厚度。从前缘点至翼弦上相应于最大厚度一点以表示，其相对值/L称为最大相对厚度。3） 翼型中线 翼型上下表面之间表示翼型厚度各垂直线的中点连线，称为翼型中线，或称为翼型骨线。4）翼型弯度h 翼型骨线至翼弦的距离，称为翼型弯度或翼型拱度。最大弯度与弦长L的比值称为最大相对弯度。从前缘点至翼弦上最大弯度点的距离以表示，其相对值以/L表示。5）攻角翼弦与来流方向的夹角3.2叶片载荷计算由于风力发电机在运行过程中受力情况非常复杂，计算中通常只选取特定载荷计算，如气动力载荷、重力载荷、惯性力载荷、脉冲力载荷等。本文所要研究的作用在风力机上的载荷主要包括：空气动力载荷（升力和阻力）、重力载荷、惯性力载荷、叶片上的载荷16。作用在叶片上的空气动力是风力机最主要的动力来源，也是各个零部件载荷的主要来源，其载荷主要包括挥舞方向和摆振方向的剪力与弯矩，以及变桨距时与变桨距力矩平衡的叶片俯仰力矩。叶片上的气动载荷可以根据动量一叶素理论计算。本文在加载过程中，我们考虑的空气动力主要有升力和阻力。具体计算公式如下:升力： （3-1）阻力： （3-2）式中：-翼型升力系数； -翼型阻力系数；-不受外界因素影响的液流相对速度的几何平均值；A-翼型的最大投影面面积；-空气密度，本文取1.27叶片在转动过程中始终承受着重力载荷的作用，在模型中将重力载荷加载在Y方向。离心力载荷方向总是沿着叶片展向向外，在模型中将离心力载荷加载在Z方向。把叶片看作根部固定的悬臂梁，叶片各截面重心连线为空间曲线，它在外力作用下发生的变形可忽略不计，且仅计算叶片上由离心符合引起的拉伸应力和弯曲应力以及动力（气动力）引起的弯曲应力。1）离心拉伸应力 （3-3）式中： -叶片密度； -叶片旋转角速度；R-截面半径； F-叶片截面面积2）气动弯曲应力轴向气动力： （3-4） i=1，2.，3 （3-5）-进出口边的轴面速度；-理论流量；-进口边处的轴面流体过断面形成线的质量中心半径；-上述形成线的长度；-排挤系数，=1-(z-叶片数，-圆周厚度，其中,，z, 已知)。周向气动力： （3-6） i=1，2，3. （3-7）-叶轮叶片进口边的圆周速度；-叶轮叶片进出口边的直径；n-转速，,n已知；-进出口气体重度；-进出口气体压力；a-轴向坐标； u-轴向坐标坐标变换：将弯矩投影到叶片界面的主惯性轴，上 （3-8a） （3-8b）式中：是与X轴的夹角气动弯曲应力： （3-9）式中 J 为惯性矩。3）离心弯曲应力 离心力： （3-10）式中：-其他符号同前。离心弯矩： （3-11a） （3-11b）式中：a轴向坐标； u周向坐标 坐标变换： （3-12a） （3-12b）离心弯曲应力： （3-13）总应力计算： （3-14）3.3模型导入ansys进行分析3.3.1模型导入将pro/e中建好的模型另存为*.igs文件格式17，打开ansys，在Fileimportiges中选择上述另存的*.igs文件，打开文件，如图3-3示：图3-3 叶片导入ansys中的模型3.3.2元素类型定义叶片是一个壳单元，是空心结构，通过前处理定义壳单元类型，GUI命令为“PreprocessorElementAdd/Edit/Delete”定义为壳体单元 SHELL63。3.3.3材料定义本文采用的材料是玻璃钢材料。GUI命令为“PreprocessorMaterial PropsMaterial Model”定义材料性能参数，杨氏弹性模量E=2.1E09泊松比=0.33，密度3.3.4网格划分划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，划分网格的形式和大小直接影响到计算精度和计算规模18。为建立正确、合理的有限元模型，必须考虑到网格数量、密度、网格分界点以及布局等因素。网格划分可采用自由网格、映射网格以及自适应网格划分。本文采用自适应网格划分方式，主要从叶片的径向和环向进行划分，在径向方向考虑其纵向加强筋梯度变化为网格划分控制点。GUI命令为“PreprocessorMeshingMeshing Tool”进行网格划分，划分网格后如图3-4所示：图3-4 叶片网格划分3.3.5定义约束在有限元分析中载荷包括内外环境对物体的作用和边界条件，包括自由度、集中载荷、面载荷、体载荷和惯性载荷。载荷可以在实体模型上或有限元模型上直接加载，最终都在有限元程序求解前转化到节点或单元上19。根据叶片特点，将叶片根部与轮毅的连接看作刚性连接，根部六个自由度被固定全约束，整个结构简化为悬臂梁形式进行分析。GUI命令为“SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Lines”定义好如图3-5示：图3-5 模型定义约束3.3.6施加载荷ANSYS程序中的结构静力分析是用来计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，即由于稳态载荷引起的系统或部件的位移、应力、应变和力。同时，结构静力分析还包括计算那些固定不变的惯性载荷以及那些近似等价为静力作用的随时间变化的载荷对结构的影响。在正常运行过程中