大型风电叶片的模态测试与数值模拟

中国工程热物理学会流体机械学术会议论文编号：087074大型风电叶片的模态测试与数值模拟
毛火军1，石可重1，李宏利1
（中国科学院工程热物理研究所，北京 100190）
(Tel:010-825430399, Email:maohuojun@)
摘要：近年来，风电机组越来越向大型化方向发展，叶片长度迅速增大，这使得风电叶片的动态响应研究越来越重要。

本文利用中科院工程热物理所与保定国家新能源产业基地合作建立的风电叶片检测平台对某MW级风电叶片进行了全尺寸模态试验的研究。

试验采用不测力法，分挥舞和摆振两个方向对叶片的振动模态进行了测试。

将采集到
的时域信号进行处理，得到叶片的振动特性。

之后针对大型风电叶片的特点，对叶片结构进行了简化，并在此基础上建立叶片计算模型，利用有限元方法对叶片的模态进行
了数值模拟，得到叶片的振动特性。

通过对有限元模态计算和试验模态分析结果的比较，验证了计算方法的可靠性。

最后，分析了两种模态分析方法的优缺点，为有限元
方法在叶片检测和设计中的应用提供有力参考。

关键词：风电叶片；模态测试；数值模拟
0.前言
近年来随着叶片长度的增大，叶片柔度也开始增加。

这使得叶片的失稳问题越来越受到关注。

另外，叶片的失效在很多情况下都归因于共振应力所引起的疲劳。

如果要延长叶片寿命，则必须降低叶片共振动应力。

这些都使得风电叶片的动态响应研究越来越重要。

模态分析是研究结构动态响应最常用的方法。

一个系统的动态响应可以分解为一系列离散的模态的形式。

这些模态参数包括：模态频率、模态阻尼、模态振型等。

模态分析分为试验模态分析和计算模态分析两种方法。

国内学者对两者都有一些研究，但由于现代风电叶片的尺寸大，成本高，因而现有的试验模态研究都是局限于长度不超过1m 的小叶片上[1]，对大型风电叶片的试验模态分析的研究还有所欠缺；在计算模态分析中，对叶片结构的处理也稍显粗略。

本文利用中科院工程热物理所与保定国家新能源产业基地合作建立的风电叶片检测台进行了1.5MW级38m风电叶片的试验模态研究，并针对叶片结构特点进行了适当简化，在此基础上利用有限元方法进行计算模态分析。

最后本文对这两种方法得到的结果进行了比较，得到了较为一致的结果。

资助项目：国家高技术研究发展计划(863) (No. O612011811)
1.试验测试
1.1.检测台
本次试验的试验件为1.5MW级风电叶片，该叶片由中科院工程热物理研究所设计，叶片长度38m，重6吨。

为了减小其他结构对叶片振动的影响，大型叶片的模态测试对试验台的要求很高。

本试验试验台采用用中科院工程热物理所与保定国家新能源产业基地合作建立的风电叶片检测台进行。

此检测台最大叶片检测长度达65米，为目前国内检测能力最大的检测台。

图 1 风电叶片检测试验台
1.2.测试方法与设备
试验模态分析方法可以分为频响函数法（简称测力法）和环境激励法（简称不测力法）两种。

对于小型叶片，由于其固有频率高，易激励，因而一般采用测力法进行测量。

考虑到本试验中叶片的质量大，固有频率低（设计一阶挥舞频率低于1Hz），模态不易激励，最终选用不测力法进行测量。

根据所选取的测量方法，本试验选用江苏东华测试有限公司生产的DHDAS-3817动静态信号测试系统一台来记录振动信号。

该测试系统能同时记录8个通道信号。

运动传感器使用DH610磁电式速度传感器。

该传感器具有超低频、大幅值测量，动态范围大，密封性能好，不需调零位等优点。

频率响应范围0.1-100Hz。

按照测量的运动方向的不同，该传感器分为纵向传感器和横向传感器两种。

依据《IEC 61400-23Full-Scale Structural Testing of Wind Turbine Blades》标准[2]和我国机械行业标准《JBT 10194-2000 风电机组风能叶片标准》[3]，风电叶片一般需要测试挥舞方向1、2阶，摆振方向1阶固有频率。

由于测试通道和传感器数量限制（纵向传感器6个，横向传感器2个），并考虑到叶片的几何形状，将测试分为两个方向进行，前一次利用纵向传感器测量挥舞模态，后一次利用横向传感器测量摆振模态。

1.3.测试过程
试验件的固定状态为叶根通过试验台固支，相当于悬臂梁，以模拟实际叶片的工作状态。

挥舞扭转模态测点分布如图2所示。

共分两批进行测试，分别用首位编号1和2表示。

图 2 挥舞扭转模态测点分布
传感器安装完毕之后，通过动态数据采集系统检查安装状况，并试采样，调整传感器到合适档位。

检查无误后开始采样，采样时间为600s。

采样完毕后移动除参考点外的传感器到预定位置，再次开始采样，采样时间也是600s，采用频率200Hz。

数据采集系统的接地端要接地良好，以减小误差。

摆振模态测试测点分布如图所示。

由于摆振传感器数量较少（只有2个），所以试验分三批进行。

整个过程中固定一个参考点，然后移动另外一个传感器。

三批次一共能够测试4个测点。

4个测点所在截面等距分布，间距9m。

传感器安装在每个测试截面的弦线中点附近。

如图3所示。

每次采样时间600s，采样频率200Hz。

图 3 摆振模态测试测点分布
1.4.结果分析
采样得到的数据通过重采样，去除均值，FFT变换和模态提取后即可得到摆振方向各阶模态参数。

其中模态参数的提取采用传递率法。

这种方法的优点在于可以消除每次测量激励大小不同对响应产生的影响。

得到的挥舞模态特性参数如下:
表1挥舞模态特性参数
阶次频率阻尼比（%）
1 0.88 4.41
2 2.49 1.34
3 4.7
4 0.89
4 8.50 0.43
5 10.7 0.56
6 12.9 0.64
7 17.55 0.54
部分试验获得的挥舞模态振型图见图四。

0.88Hz 2.49Hz
4.74Hz 10.7Hz
图 4 部分试验挥舞模态振型图
观察模态振型图后发现基本振型均为摆振振型，但都有一定程度上的扭转。

整体来讲，扭转模态难以确认。

这可能是由于试验测点较少和测点分布不够合理导致。

经处理后得到的摆振方向各阶模态参数如下表：
表2摆振模态特性参数
阶次频率阻尼比（%）
1 1.49 1.20
2 4.71 0.53
3 5.23 0.49
4 10.7 0.23 从结果中可以看出：1）无论是挥舞模态还是摆振模态，阻尼比基本随着固有频率的增加而减小，而且一阶模态阻尼比都比二阶模态阻尼比大两倍以上，这有利于叶片低阶模态的衰减，对共振稳定性较为有利。

2）试验中测得的叶片扭转基本与挥舞模态耦合，且扭转分量较小，因而难以确定扭转模态。

这一方面是由于叶片扭转刚度大，模态频率较高，一般难以激励，因而振动信号很弱。

另一方面，测点数目较少也是造成扭转模态
难以识别的一个原因。

2.计算模态分析
风电叶片，尤其是现代大型叶片是一个非常不规则的实体，内部有很多不同的结构。

要通过实体建模完全模拟叶片内部结构是很不现实的。

针对这个问题存在着几种处理方法。

一种是将叶片完全作为一个实心体，用均一材料进行模拟。

天津工业大学的李声艳等[4]即采用此法。

这种方法只适用于小型实心叶片。

另一种是采用全三维实体建模，尽力模拟实际结构，然后采用实体单元进行分析。

这种方法采用的简化很少，建模需要花费大量的时间，分析模型变得异常复杂。

即便如此，还要根据制造偏差对有限元模型进行大量的修正，否则难以获得较为精确的叶片变形和应力应变分布等[5]。

由于这些原因，这种方法使用较少。

相比之下，应用得更多是壳模型方法。

该方法根据叶片厚度尺寸相对于展向、弦向尺寸很小的特点，将叶片简化为一个壳体。

这种方法被广泛采用[6][7][8]。

但这种方法没有考虑叶片不同结构所起的不同作用，分析过于粗略。

本文采用介于全三维实体模型和壳模型之间的建模方法，考虑到主梁、腹板、叶根和壳体在结构中所起的不同作用，并结合建模及分析过程，做出了如下简化:
1）尾缘厚度的简化
由于工艺的原因，实际叶片尾缘都是有一定厚度的，例如本文中研究的试验叶片，尾缘厚度从3mm到16mm不等。

除了尾缘相对厚度在5％以上的钝尾缘叶片外，尾缘厚度对叶片的结构特性的影响很小，但是由于该处截面曲线的不连续会对建模造成一定的困难。

因而在分析的过程中予以忽略处理。

2）次要的铺层结构的简化
叶片的某些铺层不是为了结构强度设计的，例如叶片表面的胶衣和喷漆。

这些部分对叶片结构性能基本没有影响，可以忽略。

另外，大型叶片在叶片壳体上大量采用PVC，Balsa木等填充材料。

这些材料的弹性模量远小于玻璃钢，其目的主要是为了保持壳体的几何外形，防止发生屈曲。

由于本次分析不涉及屈曲分析，因而也可忽略其影响。

3）对铺层厚度进行简化
除了铺层材料外，同种材料在不同的位置铺层数量也有很大的不同。

如主梁就采用等强度梁的设计，一定展向分布内铺层厚度逐渐变化。

但是这个区域较小，对其采用等厚度处理。

经过上述简化之后，要分析的主要结构为叶片壳体（忽略填充材料）、叶根、腹板和主梁。

这四个主要部分采用不同材料和铺层厚度。

对叶片结构进行简化之后，叶片的实体建模大为简化，但是外形曲面仍然较为复杂。

故而本文采用CAD软件预先进行叶片实体建模，然后再导入通用有限元分析软件ANSYS 中进行分析。

风电叶片所采用的材料主要为复合材料，为各向异性。

目前多层结构的复合材料的有限元模拟有一定的困难，一般精度不高。

而本文通过结构简化后，叶片各区域均为单一铺层的材料，且所有材料数据均为实际使用的材料通过试样测试得到，具有很高的可信度。

计算中采用四边形对模型进行网格划分。

划分完成后如图5所示。

一共划分单元
87664个，节点247540个。

图 5 叶片模型及网格划分
模态分析不需要施加载荷，只需要给定约束。

本次约束也与试验相一致，采用叶根固定约束，另外，分析中还计入了重力的影响，以尽可能的与试验条件一致，方便进行结果对比。

模态有限元计算属于广义特征值问题。

对于此类问题，ANSYS中有7种求解模块，由于Lanczos方法被认为是目前求解大型特征值问题最有效的方法，因而这里选择其中的 BLOCKLANCZOS方法求解。

本文总共计算了之前所建模叶片的10阶模态。

计算结果见表。

表 3 叶片的各阶模态特性参数分析
最大位移
主要振型阶次频率
X Y
1 0.8
2 0.004
0.035 挥舞
0.001 摆振
2 1.54 0.031
3 2.89 0.006
0.038 挥舞
0.008 摆振
4 5.29 0.036
0.04 挥舞
5 6.55 0.0052
挥舞+摆振
6 11.36 0.02
7 0.029
挥舞+摆振
7 12.01 0.022 0.038
8 12.81 0.021 0.077 扭转
摆振+扭转
9 13.55 0.012 0.035
10 14.44 0.027 0.012 扭转
3.计算与试验结果比较
计算获得的挥舞模态频率与试验对比如下表：
表 4 挥舞模态计算值与试验值的比较
模态阶次试验频率计算频率误差
-6.82%
1 0.88 0.82
16.06%
2 2.49 2.89
38.19%
3 4.7
4 6.55
6.17%
4 10.7 11.36
-6.9%
5 12.9 12.01
图 6 挥舞模态试验与计算结果比较
从上述图表中可以看出，挥舞模态的计算值与试验值基本符合。

摆振模态计算值与试验值的比较见表。

从表中可以看出，一阶摆振模态的试验值与
计算值差别很小（误差3.36%）。

但是第三阶模态差别较大。

观察可见计算模态的第二阶
模态值与试验模态的第三阶非常接近（误差1.15%），计算模态第四阶与试验模态第三阶
非常接近（误差6.17%）。

因而有可能在计算中遗漏了二阶摆振模态，或者试验二阶模态
是噪声模态，这需要更多测点和更加精确的测试来确定。

表 5 摆振模态计算值与试验值的比较
模态阶次试验频率计算频率
1 1.49 1.54
2 4.71 5.29
3 5.23 11.36
4 10.7 12.01
4.结论
从计算与试验结果的比较可以看出：
1)低阶挥舞模态（一、二阶）和低阶摆振模态（一阶）计算值与试验结果都符合
得很好。

这说明本文对结构的简化是合理的。

达到了简化计算的同时保证一定精度的
目的。

2)对于风电叶片而言，低阶模态的重要性远高于高阶模态。

考虑到相关风电叶片
标准对模态检测的要求（挥舞模态一、二阶，摆振一阶），有限元计算的精度完全可以满足叶片设计需要。

从计算硬件要求和计算时间的角度来看，利用有限元计算指导叶片结构设计是完全可行的。

3)相比于试验模态分析，有限元模态计算具有计算结果直观、模态振型易分辨等特点。

模态试验若能结合有限元模态分析，将有利于改进测点分布，方便模态定阶，所得结果会更加准确有效。

参考文献
[1]叶枝全，马昊曼，等. 水平轴风力机桨叶的实验模态分析，太阳能学报，第 22卷第4期，2001.10
[2]IEC 61400-23 Full-Scale Structural Testing of Wind Turbine Blades, IEC, 2003
[3]JB T 10194-2000 风电机组风能叶片. 中华人民共和国机械行业标准. 2000年4月24发布
[4]李声艳，徐玉秀，周晓梅. 风力发电机组风轮动态特性分析. 天津工业大学学报. 第25卷第6期
[5]Structural testing and numerical simulation of a 34m composite wind turbine blade. ICCM15
Conference, Durban. June 2005
[6]孙栅霞. 风力发电叶片结构及铺放性能研究. 武汉理工大学硕士学位论文. 2007年5月
[7]宋聚众. 1.5MW变速恒频风力发电机组气动与结构设计技术. 汕头大学硕士学位论文. 2007年6
月
[8]吴春梅. 风力机叶片的设计及其性能研究. 内蒙古工业大学硕士学位论文. 2007年6月。