解读大型风机叶片建模研究.doc

解读大型风机叶片建模研究 来源：中国玻璃钢综合信息网 叶片实体模型的建立 叶片实体模型在ANSYS中采取自下而上的方式建立，模型建立前首先要确定叶片的翼型，翼型的形状直接影响叶片的气动性能。风机叶片的翼型是叶片在其展长方向上某一位面的轮廓线，翼型一般是瘦长形状，其前部较厚且有小圆弧状的前缘，而其后部较薄且有一较尖的后缘，如图1所示。为方便建模，根据750kW叶片翼型的特点，将叶片划分为44段，共有45个截面，建立每个截面的关键点，将关键点连接成线，然后连接相应的线成面，实现叶片的实体建模。 1建立翼型截面轮廓线 叶片截面的翼型数据可以通过Profili软件得到，获得截面的关键点坐标以后，通过命令流的形式建立关键点（如图1所示），数据格式如下： 翼型截面关键点建立以后，将每个截面的30个点分为6组，通过主菜单→Preprocesso→Modeling→Create→Lines→Spline→SplinethruKPs建立6条曲线，即可得到翼型的某一轮廓线，如图2所示。在叶片的每两个翼型截面之间，以轮廓线上的曲线端点为关键点建立6条纵向直线，将叶片上所有的翼型轮廓线通过纵向直线连接起来。 2建立叶片实体模型 叶片翼型截面轮廓线共有45个，每两个截面间的曲线和直线都是对应的，因此通过主菜单→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→ByLines可以在对应的线段之间建立曲面，每两个翼型截面之间都有6个曲面，将所有的曲面建立完毕后即可得到整个叶片的实体模型，如图3所示。由于该叶片为空心结构，为了增加强度，在叶片中间加设主梁和腹板，主梁是以玻璃纤维粗纱为增强材料的预成型件，其宽度沿着展长方向递减，而厚度则是沿着展长方向先增大然后逐渐减小，腹板是等厚渐窄的夹芯结构预成型件。在模拟主梁时，将主梁在叶片上的区域按其形状单独分开，通过实常数赋值实现模拟。而腹板是在叶片的上下面内建立曲线，在上下对应的曲线之间通过主菜单→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→BySkining建立腹板面来连接叶片的上下面，应用ANSYS中夹芯单元实现腹板的模拟。 2叶片有限元模型的建立 2.1模型参数的设置 在ANSYS中，可用于模拟复合材料铺层结构的单元类型有SOLID46、SHELL91、SHELL99,SHELL181和SOLID191五种单元。根据叶片层合板的特点采用SHELL91和SHELL99两种类型单元模拟，SHELL91可以模拟具有夹芯结构的层合板，允许输入的复合材料多达100层；而SHELL99可以模拟非夹芯结构层合板，允许输入的复合材料多达250层。应用SHELL91模拟夹芯结构时，使单元参数KEYOPT(9)＝1，以此声明该结构为夹芯结构，同时使KEYOPT(5)＝1以获得中间层最精确的结果。SHELL91单元还可以对同一个节点定义两种材料属性。为使分析更加准确，要根据叶片的实际结构通过设置单元参数KEYOPT(11)来确定节点外置，见图4。如果节点中置（KEYOPT（11）＝0），则会影响计算结果，尤其是对叶片的弯曲应力和扭转刚度影响较大。 为了使计算结果合理准确，ANSYS在选定SHELL91的夹芯结构功能时附加了一些限定条件： (1)夹芯与整个夹芯复合板的厚度比值最好≥5/6，但必须≥5/7，如图5所示； (2)蒙皮与夹芯杨氏模量得到比值最好在100~10000范围内，但必须在4~1000000内； (3)在弯曲载荷作用下的曲率半径与夹芯复合板厚度的比值最好≥10，但必须≥8。 风机叶片的主梁和蒙皮采用非等厚度复合材料铺层结构，如图6所示。在叶根处的复合材料铺层高达100多层，厚度也达到最大值，从叶根开始沿展长方向蒙皮厚度先减小后增大，在叶片中间保持不变，趋于叶尖时蒙皮厚度逐渐减至最小值，而在前后缘的蒙皮增强部位，也是非等厚度复合材料铺层结构。因此为了模拟叶片的实际铺层结构，根据蒙皮的不同厚度划分区域，设置了不同的实常数，每个实常数都包括相应的材料性能参数、铺层角和铺层厚度。本例在统计完叶片的实际铺层后做了部分简化，一共设置了100多个实常数，每个实常数都是对应于不同区域。 2.2叶片网格的划分 在划分叶片网格时．将SHELL91和SHELL99与实常数相结合来实现对叶片实际铺层结构的模拟，通过主菜单→Preprocessor→Meshing→MeshTool进行网格划分，划分时采用映射与自由划分的方式来控制网格的精度。在模拟过程中，采用了两种实常数赋值法，即面赋值法和单元赋值法。所谓面赋值法，就是在划分网格时，将实常数赋值于要划分网格的面上，例如叶根、主梁、腹板等结构，通过此法就可以很容易地实现铺层的模拟；而单