(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 山東 青島 266590)

一種基于ANSYS的風(fēng)機(jī)葉片的有限元分析

劉學(xué)彬鄭偉任保飛趙士英董漢政

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院山東青島266590)

利用ANSYS有限元計(jì)算軟件對(duì)葉片進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)及靜力分析，計(jì)算葉片的固有頻率、各階振型圖及應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，為避免葉片發(fā)生共振、提高葉片使用壽命提供分析方法。通過基于ANSYS對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行全新的有限元分析，得到風(fēng)機(jī)葉片的各項(xiàng)屬性性質(zhì)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，薄弱環(huán)節(jié)，以及振動(dòng)節(jié)點(diǎn)和其最容易損壞的位置，有利于我們對(duì)于新型風(fēng)機(jī)葉片的研發(fā)和設(shè)計(jì)，也有利于對(duì)于現(xiàn)有風(fēng)機(jī)葉片的改造和創(chuàng)新，對(duì)于提高風(fēng)機(jī)葉片使用效率，使用壽命具有深遠(yuǎn)意義和影響。

ANSYS；有限元；風(fēng)機(jī)葉片

2008年下半年，鑒于我國風(fēng)能資源相對(duì)充足，以及我國家對(duì)“綠色”能源的重視和大力支持，而且風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，風(fēng)使得風(fēng)電葉片呈現(xiàn)出良好發(fā)展勢(shì)頭。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)電設(shè)備將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的關(guān)鍵部件，一種復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分為根部、外殼、龍骨三部分。本文利用ANSYS有限元計(jì)算軟件對(duì)葉片進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)及靜力分析。

因?yàn)轱L(fēng)機(jī)葉片的時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)，激震力大部分由葉片傳出，所以，不管是風(fēng)吹過地面的不勻稱性和陣風(fēng)等因素的影響，都將直接作用于葉片上。風(fēng)機(jī)葉片屬于彈性元件的范疇，受到的載荷具有交變性和隨機(jī)性，因此振動(dòng)是必然發(fā)生的事情。為了防止葉片共振疲勞，葉片的動(dòng)力學(xué)分析、振動(dòng)特性分析變得尤為重要。

風(fēng)機(jī)葉片的動(dòng)力學(xué)主要是通過模態(tài)分析法進(jìn)行研究，簡而言之，模型的的正確建立是模態(tài)解的精度保障，通過葉片的模態(tài)分析，計(jì)算其固有頻率，特別是低階頻率的計(jì)算，從而避免葉片發(fā)生共振現(xiàn)象。因此需要建立葉片有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過對(duì)模型施加條件得出結(jié)果，其中條件包括邊界條件和載荷。

通過ANSYS中的網(wǎng)格生成工具，獲取葉片的網(wǎng)格模型，進(jìn)而生成計(jì)算所需的網(wǎng)格模型。模型網(wǎng)格的劃分是數(shù)值模擬過程中最為耗時(shí)的部分，網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)結(jié)果的產(chǎn)生有很大的影響，因其決定了數(shù)值模擬結(jié)果精度，甚至決定了數(shù)值模擬是否收斂。ANSYS中使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元可以任意變形，為了提高求解的精度，可以采用網(wǎng)格優(yōu)化技術(shù)。所以網(wǎng)格的劃分非常重要，要注意求解區(qū)域出現(xiàn)極度變形的網(wǎng)格、硬點(diǎn)、小角度等問題，從而保證計(jì)算的收斂和精度。

根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)材料特性，通過ANSYS單元庫中的Solid95單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的有限元模型共有11267個(gè)節(jié)點(diǎn)，6452個(gè)單元，網(wǎng)格劃分后要進(jìn)行條件的約束選擇。葉片根部大部分情況下由根部截面經(jīng)過渡表面到達(dá)輪轂，并且選擇其為不完全約束，但是如果計(jì)算單葉片，需要將其簡化為對(duì)整個(gè)截面選擇完全約束。綜上，需要對(duì)葉片根部截面三個(gè)方向位移自由度約束，另一端保持自由狀態(tài)。

ANSYS程序中的結(jié)構(gòu)靜力分析是用來計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由于穩(wěn)態(tài)載荷引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。同時(shí)，結(jié)構(gòu)靜力分析還包括計(jì)算那些固定不變的慣性載荷以及那些近似等價(jià)為靜力作用的隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

為了簡化研究的問題，將外界的作用力簡化為氣動(dòng)力以及重力。通過前面建立的網(wǎng)格模型，并定義單元材料屬性，以及對(duì)模型施加外部載荷、邊界條件。經(jīng)過OLUTION處理器定義分析類型和分析選項(xiàng)，然后經(jīng)過靜力分析選項(xiàng)Static，得出結(jié)果并用后處理器POSTI查看結(jié)果。在額定工況下，得出了葉片的位移云圖(圖1)、應(yīng)力云圖(圖2)及應(yīng)變?cè)茍D(圖3)。

圖1 葉片位移云圖

圖2 葉片應(yīng)力云圖

圖3 葉片應(yīng)變?cè)茍D

根據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，如果風(fēng)機(jī)在額定工況下工作，葉片最大位移發(fā)生在葉尖處，對(duì)于整個(gè)風(fēng)機(jī)葉片而言，葉尖處尺寸較小，影響也就不明顯，從葉片的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D可以發(fā)現(xiàn)，葉片中最大應(yīng)力發(fā)生在葉片根部。

通過分析可知引起振動(dòng)發(fā)生的原因，一般有以下幾種：(1)由于轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向偏斜，各個(gè)葉片上的速度矢量三角形將不相等；(2)風(fēng)速在風(fēng)輪掃略面上的不均勻分布以及風(fēng)速的瞬時(shí)變化；(3)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)各葉片所受重力的方向發(fā)生變化；(4)風(fēng)向的變化引起風(fēng)輪軸做調(diào)向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使葉片內(nèi)部產(chǎn)生陀螺應(yīng)力。

結(jié)論：如果想要減少葉片的振動(dòng)概率，必須保證葉片的固有頻率不能與風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率重合，防止發(fā)生共振現(xiàn)象。同時(shí)，需要防止葉片的固有頻率與其他部件的固有頻率產(chǎn)生共振，也要避免其與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率發(fā)生共振。最后要對(duì)葉片的性能合理設(shè)計(jì)、合理優(yōu)化，這其中包括葉片內(nèi)部質(zhì)量、葉片剛度和阻尼、改善葉片的變形等，使得葉片工作轉(zhuǎn)速范圍與葉片產(chǎn)生共振的轉(zhuǎn)速范圍不存在重合部分。

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劉學(xué)彬(1990-)，男，漢族，學(xué)歷碩士研究生在讀，山東科技大學(xué)，研究方向機(jī)器人。