文档介绍：风力机叶片的结构分析与铺层优化设计年月
风力机叶片的结构分析与铺层优化设计
李成良,陈淳
中材科技风电叶片股份有限公司,北京
摘要:风力机叶片的结构分析是叶片设计中的关键环节之一。本文利用有限元法对叶片进行结构动力学和静力
学分析,并在分析的基础上对叶片结构铺层进行优化设计,对比优化前后的分析结果,证明了结构优化设计的有效性与可靠
性。这对于更大尺寸的叶片结构分析与铺层优化设计具有一定的参考价值。
关键词:风力机叶片;结构分析;;优化设计
中图分类号: 文献标识码: 文章编号:———
引言如图所示。
风轮叶片是风力机捕捉风能的关键部件,其工
作环境的复杂性对叶片的动态响应、结构强度和稳
定性提出了更高的要求。叶片的设计与分析涉及到
空气动力学、结构力学、弹性力学、材料力学、复合材
料学等多种学科的交叉应用,技术难度比较大,是一
门新的综合学科。复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、
可设计性等优点,已成为国内外大型风机叶片的首
选材料。复合材料的可设计性应用使得叶片的内部图叶片的有限元模型
结构变得异常复杂,其结构设计与分析的难度也相
应增加。本文采用语言在中建立
叶片模型¨,对叶片进行结构动力学和静力
学分析,并在此基础上对叶片的结构铺层进行优化
设计,对比优化前后的分析结果,为更大尺寸叶片的
结构分析与优化设计奠定了基础。
叶片模型的建立图叶片的截面构造型式
本文所研究的叶片与当前主流叶片结构一致,都. 模态分析
是在蒙皮中间加设主梁和腹板的大型空心叶片,
叶片的前后缘部位大量使用夹芯结构⋯。国内外高频率和振型,它们是结构设计中承受动态载荷的重
校与研究机构对叶片进行结构分析时,其模型的建立要参数。共振是使结构破坏的一个重要原因,防止
多是采用专门开发的软件或三维建模软件。而风轮发生共振,就是要求叶片的固有频率远离其激
本文的分析则是基于有限元分析软件,模型振频率。根据达朗贝尔原理可得:
的建立是在中采用语言进行参数化建

模,利用单元来模拟叶片的蒙皮和主梁,
其中、分别为叶片的质量和刚度矩
单元的“”模块来模拟叶片的腹板和夹芯
阵; 为叶片模型的节点位移向量。设
结构,所建模型面积与叶片实际面积相差.% 。
, ,则可得
叶片的有限元模型如图所示,叶片截面的构造型式
收稿日期:
基金项目:国家科技支撑计划项目
作者简介:李成良.,男,硕士,主要从事叶片结构分析与设计方面的研究。
/ ..
年第期玻璃钢/复合材料
一,,⋯, 如表所示,图所示为叶片在挥舞方向的应
力云图。
解方程得,即为叶片的模态,
/为系统的固有频率。
叶片对外界载荷的响应十分复杂。振动形式有
挥舞、摆振和扭转振动,更为复杂的是三者之间的耦
合振动。叶片在挥舞与摆振方向耦合振动的相互作
用通常较小,扭转振动也较小。本文利用有限元
法计算叶片结构的固有频率,采用分块算
法对叶片进行模态分析,把叶片看成悬臂梁对叶
根进行约束,计算前阶固有频率,计算结果如表图边界条件与载荷
所示,第一阶模态振型如图所示。
表模态分析计算结果
图叶片在