用复合材料模块分析风力涡轮刀片

在1615年的小说中Don Quixote幻想着成为中世纪骑士的名义角色Miguel de Cervantes，将风车误认为是巨人和指控，只是让他的长矛陷入其中的一场帆中。尽管现代风力涡轮机叶片不必承受这种尖锐的力量，但对刀片设计进行压力和模态分析很重要，以说明各种（更现实）的结构和环境负荷。

为什么要为风力涡轮机叶片使用复合材料？

当风在转子周围（连接到主轴连接）周围的风力涡轮机的螺旋桨状叶片旋转时，转子又旋转发电机以产生电力。为了帮助将动能能量转换为电能，风力涡轮机叶片必须承受风，重力和离心载荷。刀片的数量可能会有所不同（尽管三个是典型的），具体取决于涡轮机是更传统的水平轴风力涡轮机还是垂直轴风力涡轮机。

涡轮刀片需要大大才能有效。大尺寸意味着工程师必须对其材料进行选择，这既需要轻巧又坚固。这些因素对于帮助叶片在整个结构负荷效应和恶劣天气中保持起作用至关重要，包括大风，空气中的粒子侵蚀和冰的积累。

在考虑唐吉x德攻击的涡轮刀片（左）时，设计可以承受风暴（右）的刀片更为实用。左：GustaveDoré在美国公共领域的Don Quixote的插图，Wikimedia Commons。右：涡轮叶片被暴风雨损坏。杰夫·米勒（Jeff Miller）和西部地区力量（Western Power）的图像 - 自己的作品。获得许可CC由2.0， 通过Flickr Creative Commons。

多年来，找到合适的刀片材料已被证明具有挑战性。在1940年代，工程师Palmer Cosslett Putnam与S. Morgan Smith公司合作，使用钢刀片制造风力涡轮机。但是，由于选择了金属材料，涡轮机无法始终如一地操作，其中一个叶片仅几百小时后失败。设计在1950年代，由丹麦约翰内斯·朱尔（Johannes Juul）创建的Gedser风力涡轮机改善。这款涡轮机能够在没有维护的情况下运行11年，因为它有三个由木材，钢和铝制成的复合叶片。从1970年代开始，标准是构建风力涡轮机。此外，工程师发现，由于刀片的各个部分具有不同的循环载荷历史，因此可以将不同的复合材料用于刀片的不同区域，以提高其设计的功效。

在此示例中，使用碳 - 环氧层压板，玻璃 - 乙烯基层压板和聚氯乙烯（PVC）泡沫的混合物对复合叶片进行建模。在复合材料模块，是结构力学模块和comsolMultiphysics®软件从5.4版开始，您可以在三明治结构中构造不同的分层材料，并在中心使用PVC泡沫。

使用COMSOL®软件对风力涡轮机复合刀片进行建模

对于此模型，复合叶片长61.5 m，几何形状具有19个不同的部分，这些部分由机翼形状定义。如下所示，有6种用于完整刀片各个部分的机翼。机翼的放置基于它们的形状：NACA 64-618最适合空气动力学，因此将其放置在刀片的尖端；du 99-W-405适合其结构能力，因此它放在基地上。布置在两者之间的du翼型，以使它们平滑尖端和根之间的过渡。

风力涡轮刀片的几何形状，标有不同的机翼截面。

在设置负载和边界条件时，重要的是要牢记刀片的两个部分：皮肤和翼梁。皮肤由外部弯曲边界组成，并带有整个载荷，而翼梁是内部垂直构件，可增强刀片并增加弯曲和扭转刚度。

作用在结构上的负载包括刀片自身的重量和离心力。在此示例中，不考虑空气动力学效应和风载。取而代之的是，重点仅在于分析引力和离心负荷。进行了两种类型的分析：

• 静止，其中包括重力载荷情况，离心力负载外壳和两者的组合，用于单个刀片rpm（15 rpm）
• 预应力特征频率，适用于一系列刀片RPM的离心负载箱（0-30 rpm）

模型几何形状显示边界条件和负载作用在刀片结构上，固定的左端连接到转子轮毂。

前面提到的三明治结构包括以下内容：

• 碳 - 环氧层压板：结构的外部，有10层，厚度为0.28 mm，密度为1560 kg/m³
• 玻璃 - 玻璃酯层压板：向内，这种层压板由40层组成，每个层的厚度为0.28 mm，密度为1890 kg/m³（有关堆叠序列，请参见下面的右图）
• PVC泡沫：三明治的核心材料的厚度为15 cm，密度为200 kg/m³

（有关正骨材料属性以及如何设置此模型的更多信息，在这里查看教程）

左：三种材料的排列，用于刀片的皮肤和晶石。右：玻璃玻璃纤维层压板的堆叠序列，显示从底部到顶部的每一层中的纤维方向。

评估模拟结果

压力分析

通过使刀片承受不同的载荷（重力，离心和组合），您可以查看von Mises压力在皮肤和痉挛中的分布。在这里，叶片根部以及圆形和机翼横截面之间的连接处都有高应力。

风力涡轮机设计中的冯·米塞斯（Von Mises）应力分布。

在研究了碳环氧层中的应力分布后，您可以检查刀片上特定点的三个负载情况的应力变化。在这里，层压板之间的应力水平以及不同层压板内部的圆环之间的应力水平变化，在外部碳环氧层中的水平最高。

von Mises应力在不同载荷情况下的厚度变化。

模态分析

继续进行预应力的特征频率分析，您可以深入了解离心力如何以不同速度影响各种模式。虽然在这里未显示，但您可以以不同的速度评估刀片的本本特征形状，看看较高的速度如何影响压力的浓度。当刀片不旋转时，也可以将这些形状与本本特征形状进行比较，就像下图中的图像一样。

刀片的第三本本本征形状。

最后，坎贝尔情节显示了刀片的旋转与特征频率变化的关系。在这种情况下，离心加强效果会导致特征频随叶片RPM的增加而增加。

坎贝尔图显示了与刀片RPM相关的本征频率的变化。

如本示例所示，在优化风力涡轮机叶片设计时，执行压力和模态分析可以帮助工程师考虑不同类型的负载。此外，使用复合材料模块，它们可以轻松地堆叠具有不同厚度，材料特性和纤维取向的层，并分析这些结构并修改材料类型。

下一步

自己尝试：通过单击下面的按钮下载风力涡轮复合刀片教程。这样做将带您到应用程序库，您可以在其中找到该模型的文档和MPH文件。