風(fēng)機葉片根端連接的有限元分析

　　本文基于ANSYS軟件建立風(fēng)機葉片根端連接部分的有限元模型，并對葉根玻璃鋼部分及T型連接螺栓進行應(yīng)力分析和強度校核，為葉片根端連接的設(shè)計、優(yōu)化及材料的選用提供可靠的依據(jù)和指導(dǎo)。
　　關(guān)鍵詞：風(fēng)機葉片  玻璃鋼  葉根連接  有限元法
　　1  引 言
　　隨著世界能源危機的日益嚴重，以及公眾對于改善生態(tài)環(huán)境要求的呼聲不斷高漲，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源越來越受到各國政府的重視。目前，全世界約有50多個國家頒布了支持可再生能源發(fā)展的相關(guān)法律法規(guī)，對風(fēng)電發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正逐步發(fā)展成為初具規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)[ 1 , 2 ]。當前，各國正加快對風(fēng)力發(fā)電機組的研究步伐，不斷推出新的技術(shù)裝備。
　　風(fēng)力發(fā)電機葉片（簡稱風(fēng)機葉片）是風(fēng)力發(fā)電機組中的關(guān)鍵部件之一，葉片的翼型設(shè)計、結(jié)構(gòu)形式，直接影響風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率[ 3 , 4]。其中根端連接是葉片設(shè)計中最關(guān)鍵的地方，因為將葉片根端固定到輪轂上，鋼輪轂和制造葉片的材料一般為玻璃纖維增強塑料（GFRP），它們之間的相關(guān)剛度差有數(shù)量級的差別，妨礙載荷的平滑傳遞。通常采用螺栓進行連接，螺栓可以沿軸向嵌入葉片的材料中或沿半徑方向穿過葉片殼體，但這兩種情況中葉片根端應(yīng)力集中都是不可避免的[5]。同時葉片在載荷工況作用下，葉根連接螺栓的強度分析也十分重要。
　　本文采用ANSYS有限元軟件對葉片根端連接部分建立有限元分析模型，并對葉根玻璃鋼部分及T型連接螺栓進行應(yīng)力分析和強度校核，從而指導(dǎo)葉片根端連接的設(shè)計、優(yōu)化及材料的選用。
　　2  葉片根端連接模型
　　2.1  葉片結(jié)構(gòu)外形及材料屬性
　　目前風(fēng)電場中采用較多的1.5MW級變速變槳風(fēng)力機復(fù)合材料葉片，其葉片根端連接如圖1(a) 所示。葉片根端橫截面為圓環(huán)形，其外圓直徑為1890mm，內(nèi)圓直徑為1710mm，中心圓直徑為1800mm，根端長度取800mm。從根端沿著中心圓周線均勻打孔并安裝54根T型螺栓接頭連接軸承。T型螺栓接頭，如圖1(b) 所示，由插到葉片殼體縱向孔內(nèi)的鋼螺柱，與保持在橫向孔內(nèi)的柱狀螺母進行連接。葉片殼體縱向孔直徑為32mm，長度為200mm，葉片殼體橫向孔直徑為65mm，橫向孔軸線距根端為190mm。鋼螺柱中間圓桿直徑為23.1mm，長度為260mm，兩端螺紋直徑為30mm，長度為80mm。柱狀螺母直徑為65mm，長度為110mm。
　　根端玻璃鋼的主要成分是三軸布，T型螺栓接頭采用42 CrMo鋼, 其材料參數(shù)如表1所示。