网站首页  词典首页

标题	基于ANSYS的竖直型风力发电机叶片建模与仿真
范文	张崇文+赵高晖+仲梁维 摘要：叶片是竖直风力发电机的关键零件，为了确保叶片工作的稳定性，分析叶片结构尤为必要。针对叶片是否会在风力作用下发生破坏，采用3D与2D相结合分析的方式对叶片整体和垂直截面进行分析建模。根据建立的叶片几何模型，利用Fluent软件进行气动力分析，得到叶片上最大风载，并以此为边界条件利用Ansys有限元软件对竖直风机叶片进行静力分析。仿真结果表明，叶片中部变形最大，在叶片连接处易出现应力集中，可为风机叶片的安装与优化提供参考。 关键词：风力发电机；竖直叶片；Fluent；静力分析 中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：16727800（2017）004008303 0引言 我国作为能源消耗大国，风能凭借分布范围广、存在形式相对较为稳定、无污染、可持续利用等优点成为国家重点研究的对象，是目前为止最具有应用前景且技术相对成熟的可再生性能源。竖直型风力发电机[1]与水平轴风力发电机相比，具有能够吸收各方向风能的优点且结构简单、效率高、制造成本低、生态优势明显，越来越引起行业关注。叶片作为竖直风力发电机的关键部件，其稳定性决定了风力发电机的性能与寿命，因此在进行风力发电机设计时，对叶片进行强度分析、可靠性分析十分重要。 徐浩等[2]基于Fluent对风力发电机气动性进行研究，结合两种叶片的特点设计了一种新型叶片；王昊等[3]基于Solidworks建立了水平轴风力发电机叶片的三维模型，在法向力作用下对叶片强度进行了分析；刘洋[4]基于Midas NFX有限元软件对1kW竖直轴风力发电机叶片进行了静力分析，得出风机叶片的受力分布规律。本文通过Solidworks建立三维模型，运用2D方法在Fluent中求出叶片上的风载，结合ANSYS软件对竖直风机进行有限元分析，确保风力发电机叶片的安全性。 1风力发电机叶片结构 本文叶片采用与NACA0018相似的新型翼板，主要特点是叶片内部有加强筋，提高叶片整体刚度，叶片具体参数在文中略去，叶片模型如图1所示。 风力发电机长期在户外运行，叶片工作环境比较恶劣，既要满足叶片强度与刚度要求，又要降低加工难度、提高性价比，因此材料选用玻璃钢[5]。玻璃钢即纤维强化塑料，具有轻质高强的特点，有很好的耐腐蚀性，可设计性优越，能够根据不同需要灵活应用于各类产品，玻璃钢性能参数如表1所示。 2风载计算 风力发电机在工作过程中除了受到因转动产生的离心力和自身重力外，还受到空气作用于叶片上的气动力即风载。如果通过常规的3D建模进行数值分析，计算网格可达到一个非常巨大的数目，计算量大、耗时长，不易得到准确结果。所以通过建立叶片2D几何模型来进行数值模拟，得到叶片上的风载，计算流程如图2所示。 2.1几何模型建立 ICEM作为前置处理软件，具有很强的模型处理和网格划分能力，并且与许多软件有良好的兼容性。首先对叶片进行简化，对AutoCAD中做出简化后的叶片进行2D建模并确定计算域。如果计算域太大，會消耗过多计算机资源，太小又不能准确模拟，因此采用使用较多的12D×6D 的矩形区域作为计算区域，模拟风力发电机的外流场。同时风力发电机处于计算域内，为了模拟风力发电机叶片转动与附近一定范围的相对流动，将叶片旋转区域作为旋转域，与外流场区分开来，方便后期网格处理，提高叶片周围网格数量。叶片处于旋转域中，联接叶片与塔台的连接架对分析影响较小，在仿真时忽略对旋转域的影响，以dwg文件导入Icem中，进行网格处理，图3为风力发电机的几何模型。 如图3所示，D为叶片的旋转直径3.6m，风从计算域的左侧进入，叶片到左侧边界的距离是旋转直径的3倍，到上下边界的距离是旋转直径的3倍，到右侧出口的距离是旋转直径的9倍。2.2ICEM 前处理 为了提高网格质量、减少计算时间，对计算域进行主次划分。将整个域划为3个计算域：旋转域外的外流域、旋转域和中心的内流域。利用O-Grid方法对计算域分块处理，对旋转域附近网格进行加密。网格处理后，越靠近叶片的区域网格越稠密，远离叶片的外流域网格稀疏，划分后的网格如图4所示。 在进入Fluent求解器前，先在Icem中创建边界Part。将矩形左侧设为入口边界、右侧为出口边界，上、下边为对称边界，旋转域与外流域的接触面为滑移边界[67]。 2.3FLUENT求解 在Fluent软件中进行流场分析，为获得风载的唯一解，需要进行计算域边界条件各种参数值设定，选择气动计算中经常使用的spalart-Allmaras方程湍流模型，介质为理想空气，定义入口边界条件，将进口风速的速度作为输入条件，出口边界为环境压力。将旋转域的边界与外流域边界耦合进行求解。风机叶片在流场中的压力云图如图5所示。 从叶片的压力云图中可以发现，位于迎风侧的叶片表面所受压强最大，主要位于叶片的前缘，最大压强为142.9MPa。叶片上下表面存在比较明显的压力差，使叶片产生力矩进而转动。 3风机静力分析 3.1静力分析基础 静力分析是最基础、最常用的有限元分析方法，在大部分工程计算中都必不可少。所谓静力分析就是结构受到静态载荷的作用，惯性和阻尼可以忽略[8]，在此载荷的影响下，引起结构的响应包括位移、应力、应变等，以此判断结构的稳定性是否满足强度上的要求。由经典力学理论可知动力学通用方程为： [M]{x"}+[C]{x′}+[K]{x}={F（t）}（1）其中，[M]为质量矩阵，{x''}为速度矢量，[C]为阻尼矩阵，{x'}为加速度矢量，[K]为刚度矩阵，{x}为位移矢量，{F（t）}为力矢量。线性静力分析中的物理量都不随时间变化，因此对动力学方程进行简化得到线性静力方程： [K]{x}={F（t）}（2）其中{F}为静力载荷，由于不考虑惯性的影响，质量对结构没有影响。静态载荷作用下的结构需要添加约束使之处于静力平衡状态来进行求解。有限元软件中静力分析主要流程如图6所示。 3.2三维模型建立 本文在Solidworks中建立竖直风力发电机叶片的三维模型，并进行简化处理。去除模型中的圆角和小孔，将部分零件从其结构的角度出发进行一体化操作。将处理好的模型导入Ansys Workbench中进行静力分析。 3.3网格建立 模型文件建立后只有通过网格划分才能进入求解计算，网格划分的实质是对有限元模型离散化，通过一定数量的网格单元得到准确的解，而几何模型本身并不参与计算，因此网格划分在有限元分析中必不可少。网格划分的好坏直接影响计算时间和精度，劣质的网格不仅会造成计算时间过长甚至无法求解。本文主要研究是的是风力发电机叶片部分，因其轮廓比较复杂，流线型的形状不宜划分网格，四面体网格适应性比较好，但节点数会比六面体多，因此采用六面体与四面体结合的方式，并结合圣维南原理[9]通过影响球功能进行局部细化。叶片划分后的网格数目为8 810，如图7所示。 3.4风机载荷 叶片在运行过程中，受到重力、离心力和气动力的作用，叶片材料使用的玻璃钢，密度低、质量轻，忽略其重力和离心力对叶片结构的影响。由风载计算可知，在工作时叶片在迎风侧的表面所受载荷最大，如图5叶片压力云图所示，最大风载为142.9Pa，位于叶片前缘轮廓线法线方向。因此，风机叶片的载荷只考虑法向力，以均布载荷方式添加在叶片上。 3.5计算结果分析 通过计算得到叶片压力云图及其在风载作用下的位移图，如图8、图9所示。 可以看出，叶片的变形主要集中在中部呈对称分布，叶片前缘厚度大变形小，尾缘厚度小变形大，最大为6.3×102mm。应力最大位置发生在连接处，并由连接处向两侧递减，最大等效平均应力为15.146MPa。结合图8、图9可以发现，叶片连接处的位置对叶片变形影响比较大，可以对叶片连接处的位置进行优化，减小变形量，为叶片的设计与校核提供依据。 4结语 本文對竖直轴风力发电机叶片进行了仿真分析，通过风载计算得到叶片表面压力分布规律，揭示了风机工作原理[10]。风机叶片静力分析中最大应力15.146MPa，小于玻璃钢的许用应力，符合设计要求，对更加深入理解竖直风力发电机有重要意义。通过风载分析可以发现，当叶片位于不同转角时，叶片上所受压强不同，叶片前缘与尾缘的压强差也不一样，可知叶片数目和角度会改变叶片的升力，影响风机的转动性能，因此可以对此开展进一步研究与优化，以提高风力发电机性能。 参考文献：[1]胡浩，杨臻，高润龙，等.一种新型风力发电机的设计思路[J].中国机械，2014（16）：266267. [2]徐浩，朱益红.具有较强气动性能的风力发电机叶片研究[J].可再生能源，2012（6）：4749. [3]王昊，范海哲，李帅斌.风力发电机叶片建模及有限元分析[J].上海电力学院学报，2016（6）：257260. [4]刘洋，吴国庆，宋晨光.1kW垂直轴风力发电机叶片静力分析[J].南通大学学报，2016，15（3）：16. [5]汪泽霖.玻璃钢原材料手册[M].北京：化学工业出版社，2015. [6]徐艳苗.风力发电机叶片气动性能与结构分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011. [7]尹伟.大功率直叶片垂直轴风力机气动特性及风轮构型研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011. [8]刘笑天.ANSYS Workbench结构工程高级应用[M].北京：中国水利水电出版社，2015. [9]蔡新.风力发电机叶片[M].北京：中国水利水电出版社，2014. [10]宋少云，尹芳.有限元网格划分中的圣维南原理及其应用[J].机械设计与制造，2012（8）：6365.（责任编辑：孙娟）
随便看	基于素质教育背景探析初中音乐教学的应对策略研究 浅谈音乐教育中审美能力的培养 音乐鉴赏，提升小学生音乐素养的有效途径 浅论音乐教学中对学生审美聆听能力的培养 高校视唱练耳的互动教学研究 描童年印迹，摹“童心”课堂 音乐教育新视野下的高校钢琴教学 县域普通高中音乐教育中利用校外资源的探索与实践 中专歌舞专业声乐教学现状思考及教学方法研究 在编写二胡教程中的探索 影视音乐教学与大学生综合素质培养探析 浅析声乐演唱与教学中的嗓音保护 钢琴演奏中内心听觉的重要性及培养 我在德国学巴赫 中国艺术歌曲《我爱你中国》演唱技巧与艺术特征研究 合唱指挥艺术表现力的提高途径 浅析《海顿钢琴奏鸣曲No.60HobXVI/50》中踏板的运用 以书法之道演绎当代国内钢琴演奏之法 巴赫《F大调第二勃兰登堡协奏曲》作曲技法分析 沉睡千年，穿越岁月的浪漫回响 解放战争时期佳木斯市群众音乐活动 古筝重奏艺术发展探析 兴趣教学法在小学音乐课堂教学中的应用分析 巴洛克风格及巴赫音乐情景和空间的架构 《西班牙狂想曲》在音乐会准备中的各种技巧性音型的训练要点 seeablenesses seeabler seeablest see about see about sth see about sth/doing sth seed seed capital, money, etc. seedcorn seeded seedful seedier seediest seedily seediness seedinesses seeding seedless seedlessness seedlessnesses seedlet seedlike seedling seedlings seeds 天则 天刚亮 天刚亮就走 天刚亮时 天刚打明 天刚擦亮 天刚有些亮 天刚黑时 天刚黑的时候 天功 天动 天助 天助自助者 天半 天华 天华乱坠 天南 天南地北 天南星 天南海北 天南贡品 天厄我运，吾亨我道 天历 天厌 天发神谶碑

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。