风力机叶片的有限元分析机械毕业设计资料毕业生用
风力机叶片的有限元分析
摘 要：通过 Solidworks 软件对 3MW 风力机叶片进行建模，然后基于 ANSYS 和 Workbench 分别对其进行模态分
析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的结构静力分析部分也使用到了 ANSYS Mechanical APDL。其
中模态分析结果表示：叶片的振型以摆振和弯曲为主，其一阶模态频率分别为 0.34Hz，能顺利的避开
外在激励频率，避免了共振现象的发生。流固耦合分析对额定风载进行了数值模拟仿真，通过结构静力
分析，对叶片的受力，变形情况有了一个基本的了解，其中叶片在额定风载情况下的最大应力为
56MPa，远远低于其实测拉伸强度的 720MPa。在 11 级风载下的应力云图显示其所受的最大应力为
83.8MPa，满足其材料的强度要求。该分析对进一步的疲劳分析和优化设计等提供了参考和依据。
关键词：叶片建模；模态分析；流固耦合分析；结构静力分析
Abstract: Through the Solidworks software build the blade model which power is 3 MW. Then based
on the ANSYS and Workbench software,the analysis of modal and fluid-structure
interaction.And the Static structural analysis is used the ANSYS Mechanical APDL
too.The modal analysis results show that the vibration modes of this blade are
presented as Shimmy and bending,The first modes frequency is 0.34Hz.And it can avoid
the external excitation frequency well,Avoid the resonance phenomenon occurs.The
analysis of fluid-structure interaction have do a numerical simulation about Rated
wind load,through the Static structural analysis we have a basic understanding of the
stress and deformation about the blade. And the maximum stress of the blade is 56MPa
under the rated wind load.Far lower than the Measured tensile strength of 720MPa.And
under the 11 rating wind load.The stress cloud show that maximum stress is
83.8MPa,Meet the strength of the material requirements.This analysis provides a
reference and basis for further fatigue analysis and optimization design.
Keywords: Blade modeling；Modal analysis；Fluid-structure interaction analysis；
Static structural analysis
1 概 述
风能是地球表面大量空气流动所产生的动能，风能量具有取之不尽、用之不竭、就地可取、
不需运输、广泛分布、不污染环境、不破坏生态、周而复始、可以再生等诸多优点。人类利用风能的
历史可以追溯到西元前，但数千年来，风能技术发展缓慢，没有引起人们足够的重视。但自
1973 年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能
源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的能源有着巨大的发展潜力，
特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网
还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。即
使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。
风力机叶片是风力发电机组承受风载的关键部件。一个优良的叶片应该具有高的捕风能力、
高寿命并且能够承受当地极限风载的能力。所以对叶片进行一系列的有限元分析来验证其结构
强度等是否能满足其在规定环境下的长期运行具有很高的实际意义。
2 叶片建模
1
风力机叶片的有限元分析
该论文叶片模型是以 3MW 水平轴风力发电机叶片为例，叶片翼型为 NACA4412。其叶片的三
维模型是通过 Solidworks 软件建立的。叶片的建模前需要确定叶片的长度尺寸、叶素的弦长 L 和
叶素的安装角 β。下面就来确定以上参数并进行建模。
2.1 叶片长度的计算
在实际设计过程中，对于给定功率的风力机叶轮直径直接由下式给出：
式中: D—风力机叶轮直径；
P—风力机输出功率，其中取 P=3MW；
CP— 风能利用系数，高速风力机一般取CP=0.4；
η—机械传动和发动机效率，取 η=0.81；
ρ—空气密度，取 ρ=1.225Kg/m3；
Vn—额定风速，取 Vn=13m/s。
经计算求得D≈93.59m，所以取 D=94m，即叶片长度为 47m。
考虑到目前国内外的风力机大部分是采用三叶片的，并且三叶片的风力机运行和功率输出
比较平稳，所以选择叶片数为 B=3。同时确定叶尖速比 λ0=6。
2.2 叶素的弦长和安装角的计算
应用涡流理论设计风力机叶片，把叶片分成若干个叶素，分别对各叶素在最佳运行状态下
进行空气动力学的计算。
计算参数背景：风力机回转直径（即叶轮直径 D），风力机的叶片数目B，叶尖速比 λ0，
攻角 i，升力系数CL，r/R 的比值关系（R即为回转半径，r 是叶素的回转半径）。在这里将 r/
R=1/n、2/n、3/n……1，在此取 n=20，即将其整个叶片分为 20 份进行计算。
其叶素的弦长 L 和安装角 β 的计算公式如下：
其 中 ， ， ，
，。
取其攻角 i=6°，设计升力系数CL=1.9。考虑到叶片的根部对风力发电机的输出功率贡献不
大，所以计算并非从叶根部位开始算起，而是以叶展方向 r=9.4m 处开始计算，将其 9.4m~47m
等分为 20 份，即每隔 1.88m 建立基准面并绘制相应的叶素轮廓。
2
2.3 Solidworks 建模
基于以上参数，用简单的放样和放样切割指令即能完成叶片建模，叶片模型如图2.1 所示，
截面图如图2.2 所示。
图 2.1 叶片模型 图 2.2 截面图
以上模型仅适用于模态分析，而流固耦合分析模型需要将整个风轮模型建立，风轮模型如
下图 2.3、图 2.4 所示。这两个模型分别是流固耦合分析在 Workbench 和 ANSYS 经典界面所用的模
型，图 2.4 中的叶片也是实心。两模型在外观上完全相同。
图 2.3 流固耦合模型（Workbench） 图 2.4 流固耦合模型（ANSYS 经典）
虽然本文主要任务是有限元分析，但在此花了大量篇幅来对建模进行叙述。主要是由于一
个好的模型可以为后文分析的顺利进行提供更好的支持。
3 模态分析
3.1 模态分析概述
机械设计中，研究弹性体振动问题的重要目的就是避免共振，具体的机械结构可以看成是
多自由度的振动系统，具有多个固有频率，在阻抗试验中表现为多个共振区，这种在自由振动
时结构所具有的基本振动特性称为结构的模态。结构模态是由结构本身的特性和材料特性所决
定的，与外载荷等条件无关。
风力机叶片是风力发电机组的关键部件之一，也是风力载荷直接作用的部件。对于大型风
力机叶片，由于叶片自身的重量也是一个不可忽略的载荷，然后再加上一些外载荷的影响，风
力机在运行过程中，很容易发生振动，而导致叶片的破坏。为了避免叶片发生共振而造成破坏
3
摘要：
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风力机叶片的有限元分析摘要：通过Solidworks软件对3MW风力机叶片进行建模，然后基于ANSYS和Workbench分别对其进行模态分析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的结构静力分析部分也使用到了ANSYSMechanicalAPDL。其中模态分析结果表示：叶片的振型以摆振和弯曲为主，其一阶模态频率分别为0.34Hz，能顺利的避开外在激励频率，避免了共振现象的发生。流固耦合分析对额定风载进行了数值模拟仿真，通过结构静力分析，对叶片的受力，变形情况有了一个基本的了解，其中叶片在额定风载情况下的最大应力为56MPa，远远低于其实测拉伸强度的720MPa。在11级风载下的应力云图显示其所受的...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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时间：2023-06-29
