基于CATIA V5的玻璃钢风力机叶片的设计

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基于CATIA V5的玻璃钢风力机叶片的设计

王涛

河海大学材料科学与工程学院，南京（210098）

E-mail:wangtao.ywx@hotmail.com

摘 要：风力发电机的关键部件是风力机的叶片，叶片的使用性能决定了整个风力机的输出功效。现在的风力机叶片普遍采用玻璃钢材料，具有可设计性。本设计利用CATIA软件建立了风力机叶片的模型，并对其进行铺层设计和有限元分析计算，得到的设计方案可用来指导叶片的实际生产。

关键词：风力机叶片；铺层；有限元；CATIA

1 引言

中国的风力资源非常丰富，相对于国际风电产业来说，中国的风能开发还处于起步阶段。但是，《可再生能源法》的颁布[1]和《京都议定书》的生效[2]，中国的风电产业面临着前所未有的发展形势，中国政府把风能放在了可再生能源的首要位置。目前市场上的风力发电机主要有两种：一种是水平轴风力机；一种是垂直轴风力机。其中，水平轴风力机目前占据绝大多数市场份额。就气动性能而言，水平轴风力机相比于垂直轴风力机有更大的风能利用率。可是，风洞试验和风场测试的数据不同，这是因为风场的风向是会经常发生变化的，水平轴风力机就需要不断的调整迎风面，这就引起了“对风损失”。而垂直轴风力机就不需要对风装置，它可以吸收各个方向吹来的风能量。因此，在考虑了对风损失后，垂直轴风力机性能并不一定比水平轴风力机低。并且，垂直轴风力机的某些重量大的部件，比如发电机可以放在叶轮的下面或地面上，不仅结构简单，而且便于维修。由于垂直轴风力机的叶片不受交变的重力应力作用，所以相对于水平轴风轮叶片的疲劳寿命长。虽然目前风力机正朝着单机容量不断增大的方向发展，因为单机容易越大，每千瓦成本就越低，但是这种大风机由于体积庞大，只能用于交通相对方便的风力发电场中。对于一些山区或相对偏远的地方来讲，大风力机是无法运送过去的，这就给小型风力机留出了市场，尤其是家庭用小型风力机。再比如一些岛屿国家像印度尼西亚，电网无法全部覆盖所有岛屿，而且由于岛屿相对较小，居住的人口少，而这些岛屿上又有着很好的风力资源，小型家庭式风力机就有了市场。水平轴的小型风力机技术比较成熟，但是这种小型风力机运行时的噪音很大，不适于安装在居民区。因此很多公司现在都着眼于开发垂直轴小型风力机，来满足这部分市场需求。本设计就是为这种小型家庭式垂直轴风力机提供合适的玻璃钢叶片。

2 玻璃钢风力机叶片模型的建立

2.1 建立叶片的外轮廓曲面

玻璃钢风力机叶片是一铺层结构，因此需要首先建立铺层所需的轮廓。本设计的叶片外廓尺寸严格按NACA0018翼型执行，弦长为300mm，叶片长度为2400mm。如图1所示。

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利用CATIA V5的创成式曲面设计平台（GSD）[3]建立本设计玻璃钢复合材料叶片的外廓曲面，如图2和图3所示。

图1 玻璃钢叶片截面图

图2 叶片曲面组装图 图3 叶片曲面爆炸图

叶片两端的小盖板，主要是起密封作用，所用材料不是玻璃钢复合材料，故不作考虑。此叶片截面为对称形式，所以只需对叶片其中一个外廓曲面和两条加强肋进行铺层设计即可。

2.2 建立玻璃钢复合材料叶片的材料库

要对叶片进行铺层设计，必须首先提供每层材料的相关属性，这包括：铺层中纤维和基体树脂的种类，纤维的体积含量，纤维的铺层角度，铺层的相关力学性能参数等[4]。本设计采用的是无碱玻璃纤维和间苯型不饱和聚酯树脂来制作玻璃钢叶片，通过实验确定材料的相关力学性能，如表1所示。

性能

E11 （Gpa）

E22 （Gpa）

表1 单层复合材料的力学性能

G12 Xt Xc

ν12

(Mpa) (Mpa) （Gpa）

Yt

(Mpa)

Yc (Mpa)

S (Mpa)

46.36 7.96 3.5 0.28 600 100 22 100 30 在CATIA V5中创建新材料“Blade”，并将表1中的数据导入“Blade”的材料属性中。

2.3 玻璃钢复合材料叶片各部分的铺层设计

叶片外廓曲面是由气动分析得来的，要求加工出的叶片形状严格符合此气动分析得出的曲面形状。这就对铺层提出了很高的要求，为了保证叶片表面的平整性，使其光滑，叶片表

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面没有明显的起伏，本设计在叶片的表层采用了带毡纤维布（±45°纤维布和缝边毡）来铺层

。对于拉挤成型来说，带毡纤维布可以随纱一起进入模具，工艺上也很方便[11]。而且带毡纤维布因其内部纤维的杂乱性，也提高了叶片制品的抗剪切性能。本设计给出的试铺方案是：(45°,-45°) /(0°)8/(45°,-45°)。如图4和图5所示。

图4 外廓曲面铺层图 图5 外廓曲面铺层细观图

叶片内部加强肋主要用来提高叶片的刚性，增加叶片的强度的。本设计给出的试铺方案为：(45°,-45°) /(0°)8/(45°,-45°)。如图6和图7所示。

图6 叶片加强肋铺层图 图7 叶片加强肋铺层细观图

3 玻璃钢风力机叶片的有限元分析

3.1 对玻璃钢风力机叶片模型进行网格划分

本设计将用八节点四边形单元来对模型进行网格地划分[12]，对应于CATIA V5中的二次四边形单元（QD8）[13]。网格划分后的叶片模型如图8所示。

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由于两外廓曲面和内部两加强肋是组合而成，所以需要在接触区域划分连接网格[14]，如图9所示。

图8 网格划分后的叶片模型

图9 划分连接网格

3.2 对玻璃钢风力机叶片模型施加约束和载荷

首先对叶片模型两端施加固定约束，创建约束施加区域，然后在创建的区域中施加固定约束，如图10所示。

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接下来对模型施加重力加速度和叶片运行时的旋转速度。重力加速度取9.81m/s2，叶片运行时的旋转速度为200rpm，旋转半径为1000mm，如图11和图12所示。

图10 施加固定约束

图11 施加重力加速度载荷

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图12 施加旋转速度载荷

最后施加表面风压，由于叶片处于旋转状态，所以其相对于风向的位置是不断变化的，为了更为准确地获知叶片处于旋转圆周上不同位置时的表面风压的大小，本设计选取了叶片在旋转圆周上的12个不同的位置来分别计算表面风压，如图13所示。

图13 旋转圆周上的12个位置

利用矢量三角形来分别求解这12个位置状态下，叶片处的相对风速W，进而求解对应的表面风压。矢量三角形如图14所示。

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图14 速度矢量三角形

°

VVββ=0叶片弦线与旋转圆周切线夹角称为叶片安装角，本设计中。a是风速，t是

叶片圆周速度，W是相对于叶片的气流速度，三者的关系是：

W=Va−Vt

W与弦线之间的夹角为有效攻角α。

根据已知的

Va和Vt，

利用矢量三角形就可以求出W和α。通过W可以求得叶片表面

。 的风压，而α决定风压的施加方向（风压角γ）

叶片的表面风压由下式求解：

式中，P为表面风压，单位Pa；

P=0.5ρv2

ρ为空气密度，此处取ρ=1.225kg/m3；

v=W

v为风速，此处。

分别对12处位置进行求解，并整理结果如表2所示。

表2 叶片12个位置下的表面风压

叶片位置 相对风速W/ms-1 风压角γ/度 表面风压P/Pa

0o 30.94 0 586.336 o30 30.02 20.412 551.985 o

60 27.347 41.538 458.063 o

90 23.205 64.473 329.814 o120 18.141 91.485 201.571 150o 13.259 127.845 107.678 180o 10.94 180 73.306 210o 13.259 232.155 107.678 240o 18.141 268.515 201.571 270o 23.205 295.527 329.814 300o 27.347 318.462 458.063 o330 30.02 339.588 551.985 对上表中的叶片表面风压分12次加载到叶片表面，表面风压的加载如图15所示。

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图15 加载叶片表面风压

3.3 求解运算

完成上述约束和载荷的施加之后，再导入玻璃钢复合材料叶片的铺层属性，如图16所示。

图16 导入叶片铺层属性

最后运行计算，对玻璃钢风力机叶片模型进行有限元分析。

4 对计算结果进行后处理

对于玻璃钢复合材料来讲，可采用Tsai-Hill和Tsai-Wu强度理论[15]来分析材料是否发生失效。首先对这两个强度理论在CATIA里的实现方式做一介绍，如图17所示。

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图17复合材料力学性能参数

Longitudinal Tensile Stress：材料沿X方向的拉伸强度(S1T)。 Longitudinal Compressive：材料沿X方向的压缩强度(S1C)。 Transverse Tensile Stress：材料沿Y方向的拉伸强度(S2T)。 Transverse Compressive Stress：材料沿Y方向的压缩强度(S2C)。 Shear Stress Limit in XY Plane：材料在XY平面内的剪切强度(S12)。 Shear Stress Limit in YZ Plane：材料在YZ平面内的剪切强度(S23)。 Shear Stress Limit in XZ Plane：材料在XZ平面内的剪切强度(S13)。

4.1 Tsai-Hill失效准则

⎛σX⎞⎛σY⎞⎛τXY⎞⎛τXZ⎞⎛τYZ⎞σXσY⎜⎟+⎜⎟+⎜⎟+⎜⎟+⎜⎟−2≤1SSSSSS1⎝1⎠⎝2⎠⎝12⎠⎝13⎠⎝23⎠

σ≤0 ，则S1=S1C

其中：如果X

如果

22222

σX>0 ，则S1=S1T σ≤0 ，则S2=S2C

如果Y

σY>0 ，则S2=S2T σXσY

2

σσ≥0 ，则S1=S1T，否则S1=S1C S1 对于项，如果XY

如果

得到基于Tsai-Hill失效准则的叶片处于各个位置时的结果数据，如表3和图18所示表示。

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表3 Tsai-Hill准则下计算结果 http://www.paper.edu.cn

铺 角 层 度 0 1 2 3~10 11 12 0.0483 0.0374 0.0193 0.0483 0.0374 30 0.045 0.0349 0.018 0.045 0.0349 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0.0433 0.0336 0.0172 0.0433 0.0336 0.0436 0.0339 0.0172 0.0436 0.0339 0.0455 0.0353 0.0178 0.0455 0.0353 0.0476 0.037 0.0186 0.0476 0.037 0.0491 0.0382 0.0192 0.0491 0.0382 0.0506 0.0394 0.0198 0.0506 0.0394 0.0527 0.041 0.0207 0.0527 0.041 0.0543 0.0422 0.0214 0.0543 0.0422 0.0542 0.042 0.0215 0.0542 0.042 0.0519 0.0402 0.0207 0.0519 0.0402 图18 Tsai-Hill准则下计算结果

4.2 Tsai-Wu失效准则

⎞σX+σY+⎛τXY

⎜⎜⎟

S1TS1CS2TS2C⎝S12⎟⎠

22

2

⎛τXZ⎞

+⎜⎟⎜⎟⎝S13⎠

2

⎛τYZ⎞+⎜⎟⎜⎟⎝S23⎠

2

⎛11⎞+⎜−⎟σX⎜⎟⎝S1TS1C⎠

⎛1σXσY1⎞+⎜−≤1σY−⎟⎜⎟SSSS(1T1C2T2C)⎝S2TS2C⎠

σ≤0 ，则S1=S1C

其中：如果X

如果

σX>0 ，则S1=S1T

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如果

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σY≤0 ，则S2=S2C σ>0 ，则S2=S2T

如果Y

σXσY

2

σσ≥0 ，则S1=S1T，否则S1=S1C S 对于1项，如果XY

得到基于Tsai-Wu失效准则的叶片处于各个位置时的结果数据，如表4和图19所示表示。

表4 Tsai-Wu准则下计算结果 角 铺度 层 1 2 3~10 11 12 0.208 0.203 0.119 0.208 0.203 0.201 0.196 0.115 0.201 0.196 0.197 0.191 0.112 0.197 0.191 0.197 0.19 0.112 0.197 0.19 0.202 0.193 0.114 0.202 0.193 0.207 0.198 0.117 0.207 0.198 0.21 0.201 0.119 0.21 0.201 0.213 0.204 0.12 0.213 0.204 0.218 0.209 0.123 0.218 0.209 0.221 0.213 0.126 0.221 0.213 0.221 0.214 0.126 0.221 0.214 0.216 0.211 0.124 0.216 0.211 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -11-

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图19 Tsai-Wu准则下计算结果

4.3 结果分析

从表3和表4以及图18和图19可以看出，当叶片位于270°和300°位置时受力情况最为恶劣，也是最容易发生失效的地方。从以上的分析来看，在目前的载荷情况下，叶片材料还没有发生失效。

下面再对叶片处于极限风速30m/s的情况下进行分析，此时叶片的转速会上升到400r/min，利用向量三角形再求出叶片在270o和300o位置时的风压角和表面风压，如表4表示。

表4 极限风速下的表面风压

叶片位置 相对风速W/ms-1 风压角γ/度 表面风压P/Pa

o270 51.508 305.622 1625 o300 62.524 324.553 2395 对叶片模型进行重新计算后，同样求得基于Tsai-Hill和Tsai-Wu失效准则的计算结果，如表5和表6所示。

表5 Tsai-Hill准则下计算结果 铺 角 度 270 层 1 2 3~10 11 12 0.878 0.681 0.346 0.878 0.681 0.878 0.68 0.348 0.878 0.68 300 -12-

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表6 Tsai-Wu准则下计算结果 http://www.paper.edu.cn

角 铺度层 1 2 3~10 11 12 0.992 0.993 0.604 0.992 0.993 0.994 0.996 0.607 0.994 0.996 270 300

从表5和表6的数据来看，在30m/s的极限风速下，叶片已经接近临界失效状态，但也未发生失效，满足叶片的使用要求。

5 结论

玻璃钢拉挤成型工艺使得其产品力学性能各向异性很明显，纵向强度往往远大于横向强度，因此本设计在叶片的内外表面各增加了一层±45°玻璃钢纤维布来提高风力机叶片的横向强度。从计算结果来看，本设计提出的铺层方案是合适的，能够满足叶片的使用要求。

本设计利用CATIA软件，对风力机叶片进行设计和分析计算。从叶片材料的铺层设计到最后的有限元分析，CATIA的集成化模块可以高效的完成，这会大大缩减风力机叶片的开发时间和研发费用，可以帮助企业更快的推出新产品。

参考文献

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A design of FRP wind turbine blades with CATIA V5

Wang Tao

Department of material science and engineering,Hohai University, Nanjing (210098) Abstract

The key part of wind turbine is the blade,which influences the output power of the wind turbine. Fiberglass-Reinforced Plastics(FRP) can be designed and widely used in wind turbine blades.This paper creates the model of wind turbine blade,designs the plys and analyses with finite element(FEA) with the help of CATIA.The analysis result can guide the manufacture of wind turbine blades. Keywords:wind turbine blade;plys;FEA;CATIA

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