李东海
(上海玻璃钢研究院有限公司，上海 201404 )

摘  要

本文基于ANSYS软件建立风机叶片根端连接部分的有限元模型，并对叶根玻璃钢部分及T型连接螺栓进行应力分析和强度校核，为叶片根端连接的设计、优化及材料的选用提供可靠的依据和指导。

关键词：风机叶片  玻璃钢  叶根连接  有限元法

1  引 言

随着世界能源危机的日益严重，以及公众对于改善生态环境要求的呼声不断高涨，风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到各国政府的重视。目前，全世界约有50多个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，对风电发展起到了至关重要的作用，风力发电产业正逐步发展成为初具规模的新兴产业[ 1 , 2 ]。当前，各国正加快对风力发电机组的研究步伐，不断推出新的技术装备。

风力发电机叶片（简称风机叶片）是风力发电机组中的关键部件之一，叶片的翼型设计、结构形式，直接影响风力发电装置的性能和功率[ 3 , 4]。其中根端连接是叶片设计中最关键的地方，因为将叶片根端固定到轮毂上，钢轮毂和制造叶片的材料一般为玻璃纤维增强塑料（GFRP），它们之间的相关刚度差有数量级的差别，妨碍载荷的平滑传递。通常采用螺栓进行连接，螺栓可以沿轴向嵌入叶片的材料中或沿半径方向穿过叶片壳体，但这两种情况中叶片根端应力集中都是不可避免的[5]。同时叶片在载荷工况作用下，叶根连接螺栓的强度分析也十分重要。

本文采用ANSYS有限元软件对叶片根端连接部分建立有限元分析模型，并对叶根玻璃钢部分及T型连接螺栓进行应力分析和强度校核，从而指导叶片根端连接的设计、优化及材料的选用。

2  叶片根端连接模型

2.1  叶片结构外形及材料属性

目前风电场中采用较多的1.5MW级变速变桨风力机复合材料叶片，其叶片根端连接如图1(a) 所示。叶片根端横截面为圆环形，其外圆直径为1890mm，内圆直径为1710mm，中心圆直径为1800mm，根端长度取800mm。从根端沿着中心圆周线均匀打孔并安装54根T型螺栓接头连接轴承。T型螺栓接头，如图1(b) 所示，由插到叶片壳体纵向孔内的钢螺柱，与保持在横向孔内的柱状螺母进行连接。叶片壳体纵向孔直径为32mm，长度为200mm，叶片壳体横向孔直径为65mm，横向孔轴线距根端为190mm。钢螺柱中间圆杆直径为23.1mm，长度为260mm，两端螺纹直径为30mm，长度为80mm。柱状螺母直径为65mm，长度为110mm。

根端玻璃钢的主要成分是三轴布，T型螺栓接头采用42 CrMo钢, 其材料参数如表1所示。

图1(a)  叶片根端连接图            图1(b)  T型螺栓接头

表1  玻璃钢及42 CrMo钢的材料参数

2.2  载荷及边界条件

在变浆风力机组中，轴承插在每个叶片和轮毂之间，使叶片可以绕轴旋转或调节桨距。其中轴承的内环螺圈与叶片根端的T型螺栓接头连接,而外环螺圈固定到轮毂上[5]。同时为了使叶根的疲劳荷载影响减至最小，标准操作是给T型螺栓加上预紧力，对于1.5MW级变速变桨风力机，对其叶根的每个T型螺栓施加预紧力300 kN。

叶片在正常工作状态和故障情况下，会受到各种不同的风况影响。根据《风力发电机组第一部分 安全要求》（IEC61400-1）规范[6]，通过气动载荷计算等，到叶片根端处的极限叶根弯矩5360 kNm及轴向力250kN。

3  有限元分析

ANSYS软件是融结构、流体、电磁、声热以及耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，随着计算机技术的发展而被广泛应用于机械、土木、水利、航空、电子、生物等众多领域，是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台[7]。

3.1  有限元模型

图2  叶片根端连接有限元模型

由于叶片根端连接模型、载荷及边界条件的对称性，这里我们取半个根端连接结构作为研究对象建立有限元模型如图2所示。叶片根端通过T型螺栓与轴承内环螺圈连接，轴承的外环螺圈施加固定约束。对每个T型螺栓施加300kN的预紧力，叶片上施加极限叶根弯矩2680 kNm及轴向力125kN。同时在叶片剖面上施加对称边界条件，在叶片根端、T型螺栓、轴承以及轴承内滚珠相互之间的接触面采用接触单元，选择合适的网格密度划分模型，设置时间步长控制计算的收敛性，进行非线性结构分析。

3.2  玻璃钢强度分析

由于对称性取半个叶片根端结构作为模型，沿着叶片中心圆周线方向，通过壳体内横向孔与孔内柱状螺母的挤压接触，再由钢螺柱与轴承的连接，将叶片上的荷载通过T型螺栓传递给轴承。因此叶片根端横向孔间的玻璃钢，横向孔与孔内柱状螺母的挤压接触面是发生应力集中的重要部位，是叶片根端强度校核的关键区域。根据建立的半个叶片根端连接结构有限元模型，施加荷载并进行非线性结构分析，求解得到叶片根端玻璃钢的应力分布结果。图3所示为叶片根端玻璃钢应力云图，可以看出在远离孔边的叶根玻璃钢应力比较小，数值一般为30MPa左右。但是靠近孔边的玻璃钢应力较大，产生了应力集中现象，最大应力为163.7MPa，最小应力为-140.6MPa。现沿着叶片圆周线将半个叶片从0到180度划分，并依次对横向孔间叶片及横向孔与柱状螺母接触面正应力求解。如图4所示，沿着圆周线方向横向孔间叶片正应力基本成线性变化，从拉应力变为压应力，最大拉压力为150MPa，最小压应力为-50MPa。而横向孔与柱状螺母接触面正应力为压应力，沿圆周线方向基本保持不变，约为-100MPa左右。由此可见，叶片在风载荷作用下，最大拉压力发生在叶片根端横向孔间的玻璃钢上，最大压应力发生在叶根横向孔与柱状螺母接触面处，并且强度满足玻璃钢材料许用应力要求。

图3  叶片根端玻璃钢应力云图	图4  横向孔间叶片及横向孔与柱状 螺母接触面正应力曲线图

3.3  T型螺栓强度分析

对于T型螺栓连接结构，叶根失效多发生于螺栓而非玻璃钢部分，因此叶根连接螺栓的强度分析也十分重要[5,8]。半叶片根端结构含有27个螺栓，其应力结果如图5所示，钢螺柱的应力为拉应力，数值范围为658—809MPa，满足T型螺栓材料42CrMo钢的许用应力要求。图6为对应的钢螺柱轴力图，其轴力数值从345kN减小到255kN，基本成线性变化。

图5  T型螺栓应力云图	图6  钢螺柱轴力图

4  结  论

本文采用ANSYS软件对叶片根端连接部分进行有限元分析，确定了叶根玻璃钢部分发生应力集中现象的区域并进行了强度分析，满足玻璃钢材料的许用应力要求。同时对T型连接螺栓进行强度分析，确定了螺栓应力的变化范围，满足螺栓材料42 CrMo钢的许用应力要求，为叶片根端连接的设计、优化及选材提供有效的依据及指导。