大型风电叶片的结构分析和测试_闫文娟

表 1 计算频率和试验频率对比 Table 1 Comparison of theoretical frequency and
measured frequency
项目 挥舞 1 阶 挥舞 2 阶 摆振 1 阶 扭转 1 阶
计 算 频 率 /Hz 0.646 2.242 1.149 8.529
试 验 频 率 /Hz 0.625 2.156 1.096 8.344
对该模型进行模态计算， 并分别提取了一阶 挥舞、二阶挥舞、一阶摆振和一阶扭转的振型，如 图 2~5 所示。 模型计算频率与样片试验频率的对 比见表 1。
从图 2~5 和表 1 可知，样片试验的频率均小 于计算频率， 造成偏差的主要原因是样片整体刚 度 比 设 计 刚 度 偏 小 ， 但 偏 差 小 于 5% ， 符 合 GL2010 的相关测试要求。
界和设计厚度定义铺层， 从而完成了风机叶片的 建模。
该叶片是由压力面壳体、 吸力面壳体和前后 缘两侧抗剪腹板结构组成， 其中壳体由蒙皮、大 梁、大梁两侧的芯材、后缘增强层和叶根增强层组 成，所涉及的主要增强材料包括单轴向布、双轴向 布、三轴向布、Balsa 木、PVC 泡沫。 3 重量分析
对该模型提取截面属性， 并通过后处理选择 叶片重量，得到叶片计算重量分布，见图 1。
本文通过使用 FOCUS 软件对某型号叶片直 接完成建模，对其进行了模态和结构静力学分析， 并与实际叶片的模态和静力试验结果进行了对比 分析。 2 模型建立
FOCUS 拥 有 独 特 的 对 叶 片 进 行 详 细 设 计 的 交互式建模工具。在对叶片进行逐步定义的同时， 三维的交互式显像会对设计变化给出直接反馈。 使用 FOCUS 软件对本文所研究的叶片进行建模， 第一步是通过一系列坐标点定义翼型轮廓线，第 二步是在三维空间中设置翼型位置、放大比例、旋 转角度、预弯等来建立气动外形，第三步是定义材 料，第四步是定义铺层边界，第五步是根据铺层边
偏 差 /% 1.83 -1.10 1.27 4.69 -4.50 3.04
最小摆振方向应变
计 算 值 /%
试 验 值 /%
0.129
0.132
0.153
0.147
0.135
0.127
-0.169
-0.092
-0.184
-0.17
-0.196
-0.193
偏 差 /% 2.33 -3.92 -5.93
1 引言 风力发电机的叶片（下文简称叶片）是风电设
备将风能转化为机械能的关键部件， 其制造成本 约占风机总成本的 15%~30%。大型风力发电机的 叶片基本由复合材料制成， 叶片设计与制造是风 电机组的技术关键[1]-[4]。 目前，国内多家叶片生产 企业都在自主开发新型号叶片， 设计中所用的工 具也不尽相同 。 [5]，[6] FOCUS 软件是用于风电机组 及组件（如叶片）快速设计分析的软件工具，在国 际风电设备工业有超过 10 年的应用史。相对于使 用三维建模软件和有限元计算软件结合的设计路 线，使用 FOCUS 软件更为便捷。
-0.251
-0.244
-0.469
-0.436
-0.446
-0.442
0.219
0.214
0.404
0.Βιβλιοθήκη Baidu13
0.407
0.251
偏 差 /% -2.79 -7.04 -0.90 -2.28 2.23 -38.33
表 3 前后缘位置计算应变和试验应变的对比 Table 3 Comparison of theoretical strain and measured strain at leading edge and trailing edge
-45.56 -7.61 -1.53
片压力面大梁应变为正值，吸力面大梁应变为负 值，在 L20.0 m 处的应变最大。 在承受最小挥舞方 向载荷时，叶片压力面大梁应变为负值，吸力面 大梁应变为正值，在 L20.0 m 处的应变最大。 在吸 力面大梁 L23.5 m 处的计算应变和试验应变偏差 较大，结合该试验应变在不同载荷步下的变化情 况，认为该应变片失效，应变数据无效。 除此之 外， 计算应变与试验应变最大偏差为-7.04%，小 于 10%，符合 GL2010 规范要求。
从表 2 可知，在承受最大挥舞方向载荷时，叶
位置
压力面大梁 L9.0 m 压力面大梁 L20.0 m 压力面大梁 L23.5 m 吸力面大梁 L9.0 m 吸力面大梁 L20.0 m 吸力面大梁 L23.5 m
表 2 大梁位置计算应变和试验应变的对比 Table 2 Comparison of theoretical strain and measured strain at spar caps
使 用 FOCUS 软 件 进 行 风 电 叶 片 模 型 搭 建 ， 计算叶片质量， 与样片实测重量相比， 偏差仅 0.1%，表明模型搭建合理。
计 算 频 率 和 试 验 频 率 的 偏 差 均 小 于 5%，符 合 GL2010 规范要求。
计 算 位 移 和 试 验 位 移 的 偏 差 均 小 于 7%，计
从图 6 可知， 沿叶片长度方向共设立了 7 处 位移测试点，主要集中在了叶片的中后部。沿叶片 长度方向，叶片位移逐渐增大，且越靠近叶尖，位 移增大速度越快， 这种趋势在最大挥舞方向和最 小挥舞方向更为显著。 4 个测试方向中，最大挥舞 方向比最小挥舞方向的位移大， 最大挥舞方向的
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可再生能源
最大挥舞方向应变
计 算 值 /%
试 验 值 /%
0.326
0.304
0.556
0.521
0.526
0.520
-0.286
-0.267
-0.479
-0.448
-0.479
-0.247
偏 差 /% -6.75 -6.29 -1.14 -6.64 -6.47 -48.43
最小挥舞方向应变
计 算 值 /%
试 验 值 /%
从表 3 可知， 在承受最大摆振方向载荷时， 叶片前缘应变为负值， 叶片后缘应变为正值，同 侧不同截面的应变变化不大， 在 L16.0 m 处的应 变最大。 在承受最小挥舞方向载荷时，叶片前缘 应变为正值，叶片后缘应变为负值，同侧不同截
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面的应变变化不大， 前缘在 L16.0 m 处的应变最 大，后缘在 L23.5 m 处的应变最大。 在后缘 L9.0 m 处的计算应变和试验应变偏差较大，结合该试验 应变在不同载荷步下的变化情况，认为该应变片 失效，应变数据无效。 除此之外，计算应变与试验 应变最大偏差为-7.61%，小于 10%，符合 GL2010 规范要求。 6 结论
目视检查不能监测到的叶片状态变化， 通常 可用应变计来监测。 对置于叶片压力面大梁和吸 力面大梁位置处的监测点， 分别在最大挥舞方向 和 最 小 挥 舞 方 向 施 加 100% 载 荷 的 应 变 进 行 统 计，见表 2。 对置于叶片前缘、后缘位置处的监测 点， 分别在最大摆振方向和最小摆振方向施加 100%载荷的应变进行统计，见表 3。
重 量 /kg
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
40
50
叶 片 长 度 /m
图 1 叶片理论重量分布 Fig.1 Blade theoretical weight distribution
从图 1 可知，该叶片重量在 0~1 m 处的斜率 最大，表明在叶根处的单位重量最大，这是由于叶 根段需要达到一定的铺层厚度满足打孔需要。 其 计 算 重 量 为 7 683 kg ， 实 际 样 片 的 称 量 重 量 为
量、频率、位移、应变的计算值和试验值高度吻合，验证了本方法的可靠性。 关键词：风机叶片；结构分析；测试；模态；变形 中图分类号： TK83 文献标志码： A 文章编号： 1671-5292（2014）08-1140-04
DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2014.08.012
闫文娟，等 大型风电叶片的结构分析和测试
算应变和试验应变的偏差除异常点外均小于 10%，符合 GL2010 规范要求。
参考文献： [1] 潘 利 剑 ，袁 健 ，彭 超 义 ，等.复 合 材 料 风 电 叶 片 结 构 截
面 刚 度 有 限 元 分 析 [J]. 武 汉 理 工 大 学 学 报 ，2009，31 （21）：129-132. [1] Pan Lijian， Yuan Jian， Peng Chaoyi， et al. Finite element analysis for section stiffness of composite wind turbine blade [J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2009，31（21）：129-132. [2] 靳 交 通 ，梁 鹏 程 ，曾 竟 成 ，等.复 合 材 料 风 电 叶 片 有 限 元 刚 度 分 析 [J]. 武 汉 理 工 大 学 学 报 ，2009，31 （21）： 133-136. [2] Jin Jiaotong， Liang Pengcheng， Zeng Jingcheng， et al. Finite element analysis for composite material wind rotor blade stiffness [J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2009，31（21）：133-136. [3] 李 成 良 ，陈 淳.风 力 机 叶 片 的 结 构 分 析 与 铺 层 优 化 设 计 .玻 璃 钢 /复 合 材 料 ，2009（6）：50-53.
摘 要：文章使用 FOCUS 软件对某兆瓦 级 叶 片 进 行 建 模 和 结 构 分 析 ，并 与 试 验 叶 片 的 重 量 、模 态 、静 力 结 果 进 行对比。 结果表明，叶片重量的计算值与实测值偏差 0.1%，频率的计算值与实测值最大偏差-4.6%，位移的计算 值与实测值最大偏差 5.08%，应变的 计 算 值 与 实 测 值 最 大 偏 差-7.61%，均 符 合 GL2010 规 范 中 的 要 求 。 叶 片 重
2014，32（8）
叶尖位移最大， 试验值为 10 441 mm， 计算值为 10 456 mm，偏 差 很 小 仅 为-0.015%，说 明 该 模 型 能真实地反映叶片受载时的叶尖挠度， 该样片能 够满足整机设计的净空需要。 4 个测试方向中，试 验位移和计算位移高度拟合， 最小摆振方向的偏 差相对大一些，最大偏差仅为 5.08%，小于 7%，满 足 GL2010 的相关测试要求。 5.2 应变分析
位 移 /mm
最大挥舞方向计算位移 最大摆振方向计算位移 最大挥舞方向试验位移 最大摆振方向试验位移
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
10
20
最小挥舞方向计算位移 最小摆振方向计算位移 最小挥舞方向试验位移 最小摆振方向试验位移
30
40
50
叶 片 长 度 /m
图 6 不同载荷下的叶片位移 Fig.6 Blade displacement value under different loads
第 32 卷 第 8 期 2014 年 8 月
可再生能源
Renewable Energy Resources
Vol.32 No.8 Aug. 2014
大型风电叶片的结构分析和测试
闫文娟 1， 韩新月 1， 程 朗 2， 印厚飞 2 （1. 国电联合动力技术有限公司， 北京 100039； 2. 国电联合动力技术 （连云港） 有限公司， 江苏 连云港 222000）
偏 差 /% -3.2 -3.8 -4.6 -2.2
5 静力分析 5.1 位移分析
在叶片静力试验过程中， 载荷是通过位于设 定 截 面 的 加 载 夹 具 ， 从 0% ，40% ，60% ，80% 到 100%逐步加载的。 对施加 100%载荷时，计算位移 和试验位移的对比结果见图 6。 图 6 中为便于比 较，不考虑位移的方向性，位移数据均取正值。
位置
前缘 L9.0 m 前缘 L16.0 m 前缘 L23.5 m 后缘 L9.0 m 后缘 L16.0 m 后缘 L23.5 m
最大摆振方向应变
计 算 值 /%
试 验 值 /%
-0.164
-0.167
-0.182
-0.18
-0.158
-0.16
0.213
0.223
0.222
0.212
0.23
0.237
图 2 一阶挥舞频率 Fig.2 1st order flapwise frequency
图 3 二阶挥舞频率 Fig.3 2nd order flapwise frequency
图 4 一阶摆振频率 Fig.4 1st order edgewise frequency
图 5 一阶扭转频率 Fig.5 1st order torsion frequency
收稿日期： 2013-07-08。 作者简介： 闫文娟(1983-)，女，硕士，从事风机叶片结构设计及成型工艺技术的研究。 E-mail：yanwenjuan@gdupc.cn
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闫文娟，等 大型风电叶片的结构分析和测试
7 675kg，偏 差 0.1%，二 者 非 常 接 近 ，表 明 模 型 与 实际一致性好。 4 模态分析