复合材料风机叶片CAE实施可行性报告

复合材料风机叶片CAE实施可

行性报告

一、CAE及国内外复合材料风机叶片应用现状

CAE（Computer Aided Engineering，即计算机辅助工程）技术，是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动、动力学仿真。工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行。可靠性如何以及使用寿命为多少；运动、动力学仿真用来对CAD（Computer Aided Design）建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE的核心技术为有限单元技术与虚拟样机的运动、动力学仿真技术。

近年来，随着计算机技术和计算方法的发展，计算机辅助设计已经成为现代设计方法的主要手段和工具。CAE技术和软件更是关键的技术要素之一。CAE作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用，而且在工程上也已达到了实用化阶段。

目前，风能作为可再生能源的重要组成

部分，受到世界各国政府的重视，风电产业

正在逐步发展成为初具规模的新兴产业。目

前风电市场和技术主要集中在发达国家，亚

洲地区还处在逐步开发和发展阶段。国内外

已经有众多厂家生产风力发电设备，叶片作

为风电机组的核心部件之一，是风力捕捉风

能、转换能量的重要组成部分。国外生成厂

家在产品研发上投入大量研究资金，他们利用先进的CAE工具对叶片相关技术进行分析，不断提高强度、刚度和结构等方面的性能，并开发出自主知识产权的产品；然而国内生产叶片的厂家以引进国外技术进行制造为主，对大型叶片的结构分析与研究还处于起步阶段。国内生产厂家基本上都采用了各种CAD软件进行叶片设计，相比之下，CAE软件的作用还没

有被充分认识，大多数企业中的CAE技术只是配角或没有被采用。很多企业对有限元仿真还只停留在表面认识。随着，风电产业的发展对叶片提出更高的要求，很多厂家、高校和研究院也意识到风机叶片分析的重要性以及带来的价值，也逐步增加在叶片分析中的资金和人员投入，并取得初步的效益，推动了自主知识产权的产品的开发进度。

二、复合材料风机叶片引入CAE的必要性

现代设计方法学表明，产品设计虽然只占产品整个成本的5%，但它却影响产品整个成本的70%。在设计过程中，如果确定了产品结构、零件形状、材料及精度，则产品成本的70%～80%将被确定。因此，产品设计在产品开发阶段需要重点予以考虑，风机叶片设计也同样如此。

风机叶片是风力发电设备的关键部件之一，随着世界风力发电设备向大功率方向发展，风机叶片的长度越来越长，目前世界最长的复合材料风机叶片是丹麦LM公司生产的，其长度已达到，单片重约18t，从而对叶片结构的强度、刚度、重量等的设计提出了前所未有的要求。复合材料具有比强度高、比刚度高、重量轻、可设计性强、承载性能好等特点，因而在大型风机叶片中获得了广泛应用。

复合材料在叶片的应用已经给生产厂家带来巨大的利益，同

时它也带来新的挑战。由于大型复合材料风机叶片的外形结构和

铺层结构复杂都非常复杂，其外形由不同翼型构建而成，属于超

长三维曲面壳体结构，且存在大量过渡层和夹心层结构，所以其

铺层结构也很复杂，此外，风机叶片的载荷分布也不规则，求取

复合材料风机叶片结构的解析解非常困难，所以寻求一种行之有

效的计算方法已成为复合材料叶片设计不可逾越的一个环节。

CAE技术能够给工业企业产品研发带来巨大的经济效益，这已成为不争的事实。以Nastran为代表的高端CAE软件早已活跃在全球各行各业中，将“基于物理样机试验的传统设计方法”带入基于“虚拟样机仿真的现代设计方法”，将大幅度缩短产品开发周期，降低成本，提高企业竞争力。潜在的问题越早地得到发现和解决，设计的成本与周期的降低效果越明显。因此，CAE分析应该提前到概念设计阶段，在叶片铺层设计阶段就应该进行CAE 分析。设计人员负责对自己设计的结构进行分析，已成为企业的迫切需求。应用CAE技术进行铺层的分析设计，将使叶片设计领域发生根本变革，推动叶片设计方法及设计技术的进步。风机叶片的结构分析作为风机叶片结构设计的基础之一，开始在大功率风机叶片结构的校核、优化和新产品开发设计中发挥着日益重要的作用。

三、CAE在复合材料风机叶片的应用

在风力发电中，要获得较大的风力发电功率，其关键在于具有能轻快旋转的叶片。叶片的设计除了要求有高效的接受风能的翼型，合理的安装角，科学的升阻比、尖速比和叶片扭角，由于叶片直接迎风获得风能，所以还要求叶片具有合理的结构，优质的材料和先进的材料工艺以使叶片可靠地承受风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力，而且还要要求叶片质量轻、结构强度高、抗疲劳强度高、运行安全可靠、易于安装、维修方便、制造容易、制造成本和使用成本低。随着CAE技术的发展，所有这些要求均可通过相应的CAE 分析方法，如结构分析、流体分析、工艺分析等来解决。目前风机叶片的结构分析是风机叶片结构设计的基础之一，主要设计目标：①振动最小或不出现共振；②质量最小；③保证结构的局部稳定或全局稳定；④满足结构强度和刚度要求。因此复合材料风机叶片结构分析主要涉及模态分析、优化分析、屈曲分析和强度和刚度分析，其中模态分析和强度和刚度分析是目前复合材料风机叶片结构分析中最常使用的两种分析类型。

在风机叶片结构分析中，首先要确定叶片载荷。根据风机设计标准，载荷工况、非正常载荷工况和事故载荷工况。正常载荷工况是指风机正在运行、偏航、开机、停机等正常运行期间叶片所受的载荷，须考虑气动力、重力和离心力作用。非正常载荷工况是指风机在极端风载、安装运输、危险状况等非正常运行期间叶片所受的载荷。事故载荷工况是指飞车、叶片损坏事故时叶片所承受的载荷。随着计算机技术的发展，有限元在结构分析中得到广泛应用。有限元强大的建模和结构分析功能适应叶片的应力、变形、频率、屈曲、疲劳及叶根强度的分析。风机叶片有限元的特点：①形状不规则（每个截面都不同）；②铺层复杂，过渡层很多；③大量夹层结构（“三明治”结构）；④大量粘结区域；⑤载荷分布不规则。NASTRAN FX是一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天、机械制造等，尤其在复合材料分析更具优势，可以对复合材料风机叶片进行建模、结构设计、材料研究以及制造工艺提供完整的解决方案。总之，对复合材料风机叶片结构计算分析，完全可以使用NASTRAN FX软件实现，并得到满足精度的结果。图1为某叶片的应力分析结果，图2为某叶片的模态分析结果。通过分析结果，如所有铺层及层间的应力、应变和失效等结果，可以知道叶片结构的刚度、强度情况以及是否进行重新的设计，包括材料替换、变更铺层层数、更改铺层角度等。

应力云图

图1 某叶片的应力分析