理論計(jì)算是確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要方法之一。葉片是狹長型薄壁多腔結(jié)構(gòu)，一般的葉片模型強(qiáng)度分析過程大致可劃分為：幾何外形建模、單元網(wǎng)格劃分、層合板材料鋪層、有限元計(jì)算及后處理分析。確定機(jī)組延壽方案之前，葉片的分析難點(diǎn)在于在葉片模型中如何確定疲勞后的材料參數(shù)、如何引入損傷缺陷等。

1 葉片幾何外形建模

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的外型是由一系列的標(biāo)準(zhǔn)翼型點(diǎn)根據(jù)葉片的弦長、扭角、預(yù)彎和前（后）掠等幾何特性進(jìn)行坐標(biāo)變換，再按照截面位置排布得到各截面的外形曲線，最后通過葉根向葉尖的放樣（loft），最終完成葉片外形曲面的建立。葉片截面曲線越密集，放樣后的外形曲面過渡性越好，尤其是在葉根圓柱段向最大弦長過渡區(qū)域。一般建議截面間隔0.5m-1m，每個(gè)截面標(biāo)準(zhǔn)翼型點(diǎn)的數(shù)量不少于200個(gè)，截面上的點(diǎn)應(yīng)均勻分布，避免局部區(qū)域曲率異常。

圖1Focus幾何建模

為便于后續(xù)的鋪層設(shè)置，可以提前將葉片各個(gè)區(qū)域的定位線劃分出來，比如：前后緣分模線、主梁定位線、腹板定位線和后緣UD定位線等；前后緣分模線出于生產(chǎn)考慮，一般與前后緣線不重合，建立模型時(shí)建議用前后緣分模線為基準(zhǔn)。

主梁一般通過主梁中心線、距離前緣的弧長（水平）或者距離前緣分模線的弧長（水平）距離定位，腹板一般根據(jù)主梁的位置進(jìn)行定位。后緣UD主要以后緣分模線為基準(zhǔn)，以弧長距離定位。后緣UD通常會進(jìn)行弦向錯(cuò)層，要綜合考慮錯(cuò)層距離和單元尺寸大小建立后緣UD定位線。

后緣粘接膠可以在三維幾何軟件中進(jìn)行實(shí)體建模，也可以在有限元軟件中通過命令流直接生成實(shí)體單元。

在幾何軟件中可以對一些比較大的缺陷損傷進(jìn)行設(shè)置，如粘接膠寬度不足、空膠、孔洞、裂紋等。在幾何模型中設(shè)置缺陷時(shí)，應(yīng)注意局部尺寸的圓角處理，并在單元網(wǎng)格設(shè)置時(shí)分配小于缺陷尺寸的單元，避免分析結(jié)果出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2 計(jì)算單元網(wǎng)格劃分

幾何模型建好后，導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行幾何形狀清理和單元劃分，例如Workbench17.2，可以對常見的幾何問題進(jìn)行修復(fù)，如斷線、重合點(diǎn)、多余線段等。在Workbench17.2中，經(jīng)常使用的單元類型為無中間節(jié)點(diǎn)的殼單元（Shell181）和8節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元（Solid185），單元尺寸一般在50-100區(qū)間，分析精度就能滿足要求。

為了配合后續(xù)的ACP鋪層設(shè)計(jì)，需要提前設(shè)置好曲線命名集和曲面命令集（Named Selection），如主梁區(qū)域、前后緣芯材區(qū)域、前后緣分模線。網(wǎng)格建好后，可以對單元尺寸級別的缺陷進(jìn)行設(shè)置，如通過控制單元的生死模擬部分區(qū)域的損傷。

圖2 在Workbench17.2中進(jìn)行模型網(wǎng)格設(shè)置

3 層合板材料鋪層

葉片的鋪層設(shè)計(jì)是由葉片設(shè)計(jì)載荷決定的，葉根鋪層厚度能達(dá)到100mm，而葉尖鋪層厚度一般低于2mm。

鋪層時(shí)建議控制各組件（如主梁邊緣與殼體芯材）的臺階差在7mm以下，臺階差過大會在模型計(jì)算時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響計(jì)算的精確度。

葉片各鋪層一般假定材料是正交各向異性的，二維平面，需要根據(jù)材料測試報(bào)告確定各材料的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括纖維方向的模量（E1）、垂直纖維方向的模量（E2）、面內(nèi)剪切模量（GXY）、主泊松比（μ）、單層厚度、層合板密度等；一般的分析計(jì)算使用的材料參數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)樣件的力學(xué)測試結(jié)果，而針對待延壽機(jī)組的葉片進(jìn)行分析時(shí)，需要使用疲勞后的材料參數(shù)，需要先對樣件完成一定的疲勞周期加載，然后進(jìn)行靜強(qiáng)度測試，通常其模量和強(qiáng)度會有一定的降低。在無材料檢測結(jié)果時(shí)，可參考公開的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對材料性能衰減后進(jìn)行分析。

Workbench 17.2的ACP模塊提供了基于殼單元的批量化鋪層功能，既可以點(diǎn)擊選擇材料和區(qū)域進(jìn)行手動鋪層，也可以使用Python命令進(jìn)行批量化鋪層。

由于在幾何建模時(shí)對主梁、芯材等區(qū)域進(jìn)行了初步劃分，因此在ACP模塊中，內(nèi)外蒙皮和主梁可以只使用起點(diǎn)終點(diǎn)選擇工具選擇鋪層區(qū)域。如終點(diǎn)位置需要切割45°斜角，可疊加45°方向的選擇限制。對于前后緣內(nèi)外補(bǔ)強(qiáng)、粘接角等，可使用ACP的管道選擇（Tube）功能，以前后緣線為基準(zhǔn)，以設(shè)計(jì)寬度為直徑，選擇準(zhǔn)確的鋪層區(qū)域。對于維修補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域，在ACP的鋪層功能模塊中設(shè)置范圍和材料參數(shù)即可。

Workbench17.2的ACP模塊提供了鋪層角度查看、鋪層厚度統(tǒng)計(jì)（以顏色顯示），截面鋪層查看、殼單元生成實(shí)體單元等功能。由于層合板厚度一般低于1mm，而單元尺寸一般設(shè)置在50mm以上，葉片有限元模型通常不能直接使用ACP的實(shí)體單元轉(zhuǎn)化功能進(jìn)行整體轉(zhuǎn)化，但可以在對葉片局部進(jìn)行子模型分析時(shí)應(yīng)用此功能。

鑒衡認(rèn)證中心根據(jù)葉片的鋪層特點(diǎn)，對ACP模塊進(jìn)行了針對性的二次開發(fā)，形成了專用的鋪層代碼。只需要提前按指定的要求將鋪層數(shù)據(jù)填寫在表格中，使用鋪層代碼導(dǎo)入即可完成鋪層，相對于一般的手動操作，可以減少1-2周時(shí)間。

圖3葉片厚度分布圖

表1鑒衡自主開發(fā)的批量化鋪層函數(shù)


4 有限元分析及后處理

在完成鋪層后即可以導(dǎo)出有限元信息，使用ANSYS APDL經(jīng)典界面進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變等分析。通常需要完成的計(jì)算分析有：固有頻率計(jì)算、極限屈曲分析、單位載荷下的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算、等效疲勞載荷下的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算。計(jì)算完成后提取應(yīng)力應(yīng)變和模型數(shù)據(jù)，使用鑒衡自主開發(fā)的后處理程序進(jìn)行纖維失效、纖維間失效、表層起皺失效、芯材失效、基于Markov矩陣的纖維疲勞分析等；并可以計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，查看截面單元上失效指數(shù)分布、失效單元鋪層各方向的結(jié)果等。

圖4后處理計(jì)算界面程序

圖5截面單元計(jì)算損傷因子氣泡圖

5研究中的葉片分析方法

隨著葉片越來越長，葉片的設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)技術(shù)也在不斷提升，一些前沿的計(jì)算方法正在逐步引入到葉片行業(yè)中，如非線性屈曲計(jì)算方法、基于斷裂力學(xué)理論的疲勞計(jì)算方法、局部子模型實(shí)體單元計(jì)算方法等，這些計(jì)算方法都可以顯著提高葉片理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的符合程度，讓我們對葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有更深刻的理解。

針對機(jī)組延壽前，葉片的計(jì)算分析需要使用疲勞后的材料參數(shù)，并根據(jù)服役葉片的檢查結(jié)果，必要時(shí)在模型中加入缺陷、維修補(bǔ)強(qiáng)等特征，從而分析出葉片理論上的剩余壽命，作為評估依據(jù)。另外，如在葉片疲勞試驗(yàn)時(shí)，成功完成了全尺寸葉片的壽命超載試驗(yàn)，也可以作為評估葉片壽命的重要依據(jù)。CWEA

本文來源：CGC，作者：鄒文堯、王倩（CGC）