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基于Ansys 的风机叶片动力学分析（郑州大学化工学院，郑州市科学大道100号 450001）摘要：本文对R40轴流风机的动叶片进行了有限元建模，并运用ANSYS12.0软件对其进行了动力学分析，得到了叶片在静止和工作转速下的前10阶固有频率。
结果表明：R40轴流风机在额定转速下工作，运行稳定，不会发生共振；叶片的固有频率随转速的增加而变大； 关键词：风机叶片；有限元；动力学；模态分析Dynamic Characteristics Analysis Of Blade Of Fan Based On AnsysZhou Jun-jie Liu Bo Liu Liang（School of Chemical Engineering Zhengzhou University, Kexue Road NO.100 , Zhengzhou 450001） Abstract: In this paper, the finite element model of blade of R40 axial-flow fan has been built, using this model, the dynamic characteristics of blade has been analyzed with Ansys software. We can get the first 10 natural frequencies of blade under rated and resonant operating conditions. The results show that R40 axial-flow fan runs stablely under resonant operating conditions, resonance does not occur; The larger rotation speed can increase the natural frequencies of blade.Key words: Blade; Finite Element; Dynamic; modal analysis1 前言叶片作为叶轮机械重要的部件，其结构设计的合理与否直接影响到整机的性能，而叶片性能的优劣主要体现在静、动态特性上面[1]。
基于ANSYS的叶片模态分析与创新设计ANSYS是流体、结构、电磁等多物理场仿真分析的领导者，叶片模态分析是ANSYS在燃气轮机和风力发电领域的热点应用之一。
本文将从ANSYS叶片模态分析的基本流程，分析结果的意义以及基于模态分析的叶片创新设计加以介绍。
ANSYS叶片模态分析的基本流程主要包括建模、网格划分、边界条件定义、材料参数设定、求解器选择和结果分析。
在建模时，可以选择不同的叶片结构，如单普通叶片、单普通叶片带平台、双蒸汽冷却叶片等。
在网格划分时，要考虑叶片的形状、大小、复杂程度等因素，以保证计算效率和结果精度。
边界条件包括入口流量、出口压力等，根据不同的模拟场景选取。
在确定材料参数时，需要考虑材料弹性模量、材料密度、材料损伤参数等因素。
求解器选择应根据具体情况选取，如静态应力求解器、压缩流求解器等。
结果分析主要是对计算结果进行后处理，查看叶片的振动频率、振型、动态应力等信息，以确定叶片的任意振型和自由振动频率等数据。
叶片模态分析的结果对叶片的设计、优化和制造具有重要意义。
其中，叶片振动频率和振型是判定叶片的动态性能和稳定性的关键指标，可以直接影响叶片的寿命和可靠性。
动态应力分析可以判断叶片在工作过程中的应力强度和疲劳寿命等参数。
基于叶片模态分析进行的叶片创新设计，主要包括改变叶片几何形状、采用新型材料、改变叶片结构等方面。
比如，可以采用钛合金、高温合金等材料来提高叶片的抗热性能；可以在叶片上加装定位孔来提高抗振性能；可以增加叶片弯曲度、消声器等措施来改善叶片气动损失和减小噪音等。
总之，基于ANSYS的叶片模态分析是在叶片设计、制造和优化过程中不可或缺的工具，它可以帮助工程师查明叶片的动态性能和稳定性，辅助进行叶片的推进优化和改进。
未来，在燃气轮机和风力发电领域的应用前景广阔。
为了阐述相关数据的分析，本文以2021年中国6月份统计局公布的国民经济运行数据为例进行分析。
涉及到GDP、CPI、PPI、PMI、利率等数据。
基于ANSYS二次开发的风力机叶片结构优化陈进;马金成;汪泉;郭小锋;李松林【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2014(000)007【摘要】针对某850 kW风力机叶片，改变其铺层材料，对其重新进行铺层设计。
以材料厚度、腹板位置、主梁宽度等作为设计变量，将叶片质量最小作为目标函数，建立了叶片优化的数学模型。
采用MATLAB和ANSYS建立了复合材料参数化叶片模型，通过改进的粒子群算法实现其优化过程。
结合德国GL标准，基于动量-叶素理论的BLADED软件计算得到了各截面的极限载荷，并分段施加载荷增量，以更真实地描述叶片受力状态。
经分析发现，相比最初的叶片，在保证叶片强度和叶尖位移约束的前提下，叶片质量减轻12．58％。
【总页数】6页(P895-900)【作者】陈进;马金成;汪泉;郭小锋;李松林【作者单位】重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030;重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030;重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030;重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030;重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TK83【相关文献】1.基于竞争博弈决策方法的风力机叶片气动与结构优化设计 [J], 孟瑞;陈晓宇;谢能刚2.基于参数建模的风力机预弯叶片结构优化设计 [J], 陈进;郭小锋;李松林;孙振业3.复合材料风力机叶片尾缘结构优化设计 [J], 郑玉巧; 马辉东; 魏剑峰; 刘哲言4.多种载荷作用下H型垂直轴风力机叶片的结构优化 [J], 张旭; 李召暄; 李伟5.基于模态灵敏度的风力机复合材料叶片结构优化 [J], 郑玉巧;刘哲言;马辉东;朱凯因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于ANSY S 的风力机风轮叶片动力学特性研究Ξ陈荣盛,张礼达,王 旭,张彦南(西华大学能源与环境学院,四川成都 610039)摘 要∶针对20kW 风力机的风轮叶片,采用ANSY S 软件进行有限元分析,得到了风力机风轮叶片上不同阶次的振动频率,为风力机运行参数提供了安全方面的理论基础。
关键词∶风力机;风轮叶片;有限元;振动频率中图分类号∶TK 83 文献标识码∶A 文章编号∶1006-3951(2009)06-0028-03The ANSYS -based Study of Dynamic Characteristics of aWind -pow er Machine ’s Wind Wheel B ladeCHE N R ong -sheng ,ZH ANGLi -da ,W ANG Xu ,ZH ANG Y an -nan(Institute of Energy and Environment X ihua University ,Chengdu 610039,Sichuan ,China )Abstract :The ANSY S s oftware was used to make finite element analysis of a 20kW wind -power machine ’s wind wheel blade and vibration frequencies of the wind wheel blade at various levels have been obtained ,thus providing theoretical basis for operation parameters of wind -power machines in terms of safety.K ey w ords :wind -power machine ;wind wheel blade ;finite element ;vibration frequency0 引言风能是空气流动所产生的动能,是一种取之不尽、无任何污染的可再生能源。
摘要介绍近年来将有限元软件ＡＮＳＹＳ应用于风力机叶片设计和分析的发展概况．并详细阐述使用ＡＮＳＹＳ实现叶片从实体建模、材料参数定义、网格划分到性能计算的设定方法．为更好的进行风力机叶片结构设计、强度分析奠定基础。
关键词风力机叶片ＡＮＳＹＳ软件分析中图分类号：ＴＫ８３１．３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—９０６４（２００９）０２－０１０２－０３随着大型有限元通用程序的推广和普及以及计算机硬件技术的飞速发展，有些高校、企业和科研单位开始将有限元分析技术用于风力机叶片分析设计研究之中，但还不是很普及。
ＡＮＳＹＳ软件是市场占有率最高的有限元软件之一。
它是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件｛”。
风力机在风能利用中占有最主要的地位．而叶片则是风力机中核心的部件。
大型水平轴风力发电机组终年运行在复杂的自然环境中，所受载荷情况非常复杂．主要包括空气动力载荷、重力载荷和惯性载荷。
在风力发电机组的研究设计中，为了对其零部件进行强度分析、结构力学分析以及寿命计算，确保风力机在其设计寿命内能够正常运行。
必须对风力机及其零部件进行静、动态分析。
为风力机叶片结构改进和优化设计提供可靠的依据。
本文就近年来研究人员利用有限元法对叶片进行分析设计进行了总结，介绍了ＡＮＳＹＳ在叶片分析设计中的几种强大功能，应用这些功能可帮助研究人员进一步缩短研发时间，提高工作效率，降低研发成本。
ｌ叶片的实体建模一般构造叶片实体模型的方法有２种：①在ＡＮＳＹＳ有限元程序中直接创建实体模型。
可以采用自底向上自顶向下或者混合的建模方法；（函引入实体模型是将ＣＡＤ／ＣＡＭ软件中Ｐｒｏ，Ｅ、ＵＧ等创建好的实体模型通过数据接口转换过滤器引入到有限元分析程序中去进行分析的一种方式。
由于风力机叶片外形和截面形状复杂，在翼展方向还存在扭转角和渐缩的弦长．使得对叶片的实体建模存在较大的困难。
一般采用国际流行三维建模软件Ｐｒ０／Ｅ对叶片进行实体建模１２ｌ。
基于ANSYS的风电机组叶片动态响应分析与优化设计风电机组是目前广泛应用于清洁能源领域的一种发电设备，其核心部件之一是叶片。
叶片的设计与优化对于提高风电机组的发电效率、减少结构疲劳损伤具有重要意义。
本文将基于ANSYS软件，对风电机组叶片的动态响应进行分析，并提出优化设计方法。
一、叶片动态响应分析叶片在工作过程中会受到风力的作用而发生弯曲和振动，因此需要进行动态响应分析。
首先，我们需要建立叶片的有限元模型。
通过ANSYS的建模工具，可以将叶片的几何形状进行三维建模，并使用适当的材料属性对叶片进行参数化描述。
在建立有限元模型后，我们需要给予风电机组施加载荷。
根据风力的特性和叶片的运行条件，可以采用风力加载模块对叶片进行施加风载。
该模块可以模拟风力的作用，计算叶片所受的风载大小和方向，并将其作为载荷输入到有限元模型中。
接下来，通过ANSYS的动态分析功能，对叶片的振动响应进行计算。
动态分析将考虑材料的刚度、阻尼和质量等因素，得出叶片在不同工况下的振动情况。
通过分析叶片的振动频率和振型，可以评估叶片的结构是否合理，是否存在共振问题。
二、叶片优化设计在进行叶片的优化设计时，我们可以通过ANSYS的参数化设计功能来实现。
首先，我们需要确定需要优化的设计变量，如叶片的几何参数、材料参数等。
然后，通过定义参数和参数范围，可以使得ANSYS自动地进行参数组合和计算。
通过进行多次模拟计算和优化迭代，可以得到不同设计变量组合下的叶片性能。
根据设定的优化目标，如最小化叶片的振动响应或最大化叶片的发电效率，可以选取最优的设计变量组合作为最终的优化设计方案。
另外，对于叶片的优化设计，还可以考虑使用拓扑优化方法。
拓扑优化可以根据预设的约束条件和目标函数，在给定的设计空间内调整叶片的材料分布，使得叶片的结构更加均衡和优化。
通过结合拓扑优化和动态响应分析，可以得到更加高效和可靠的叶片设计方案。
三、实例分析与展望通过基于ANSYS的风电机组叶片动态响应分析与优化设计方法，可以有效地评估叶片的结构性能，并提供优化建议。
国 防 科 技 大 学 学 报 第32卷第2期 JOURNA L OF NA TIONA L UNIVERSITY OF DEFE NSE TECHNO LOGY V ol.32N o.22010文章编号:1001-2486(2010)02-0046-05基于ANSYS的大型复合材料风力机叶片结构分析Ξ周鹏展1,2,3,肖加余1,曾竟成1,王 进2,杨 军2(1.国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙 410073;2.株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲 412007;3.长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南长沙 410076)摘 要:基于ANSY S软件,对某款应用于G L3A风场的1500kW大型复合材料风力机叶片进行了结构分析。
分析结果表明:该叶片的振型以一阶挥舞和一阶摆振为主,其频率分别为0186H z和1159H z;在极限挥舞载荷作用下,该叶片有限元模型计算得到的叶尖挠度为81445m,而该叶片全尺寸静力试验得到的极限挥舞载荷作用下的叶尖挠度为8112m,计算值与试验值的误差只有318%;另外,该叶片的最大计算拉应力和压应力分别为228MPa和201MPa,而该叶片玻纤Π环氧复合材料实测拉伸强度和实测压缩失稳强度分别为720MPa和380MPa,其计算最大应力只有对应实测极限强度的3117%和5219%。
关键词:复合材料;风力机叶片;结构分析;极限挥舞载荷中图分类号:TK8 文献标识码:AStructural Analysis of Large2scale Composite WindTurbine B lade B ased on ANSYSZH OU Peng2zhan1,2,3,XI AO Jia2yu1,ZE NGJing2cheng1,W ANGJin2,Y ANGJun2(1.C ollege of Aerospace and M aterial Engineering,National Univ.of Defense T echnology,Changsha410073,China;2.Zhuzhou T imes New M aterial T echnology C o.Ltd.,Zhuzhou412007,China;3.C ollege of Energy and P ower Engineering,Changsha Univ.of Science&T echnology,Changsha410076,China)Abstract:Based on the ANSY S s oftware,the structural analysis of a kind of1500kW large2scale com posite wind turbine blade which applied in G L3A wind farm was carried out.The analysis results show that the vibration m odes of this blade are mainly presented as first flapwise m ode and first edgewise m ode,the frequencies of the vibration are respectively0.86H z and1.59H z.At the action of ultimate flapwise loads,the FE M analysis results show that the blade tip deformation is8.445m,while the blade tip deformation of the full scale blade under static test is8.12m,s o the deviation between the calculated and tested value of the blade tip deformation is only 3.8%.M oreover,the calculated maximum tensile stress and the com pressive stress are228MPa and201MPa,while the tested tensile strength and com pressive buckling strength of the glass2fiberΠepoxy com posite are720MPa and380MPa,respectively.C onsequently,the percentages of the calculated maximum stress and the tested ultimate strength are respectively31.7%and52.9%.K ey w ords:com posite;wind turbine blade;structural analysis;ultimate flapwise load风力机叶片是风力发电机组的关键部件之一,随着世界风力发电机组向大功率方向发展,风力机叶片的长度越来越长,目前世界最长的复合材料风力机叶片是丹麦LM公司生产的,其长度已达6115m,单片重约18t,从而对叶片结构的强度、刚度、重量等的设计提出了更高的要求[1-3]。
复合材料具有比强度高、比刚度高、重量轻、可设计性强、承力性能好等特点[4-5],因而在大型风力机叶片中获得了广泛应用。
风力机叶片的结构分析作为风力机叶片结构设计的技术基础之一,开始在大功率风力机叶片结构的校核与优化设计中发挥着日益重要的作用。
由于大型复合材料风力机叶片的外形结构和铺层结构都非常复杂,其外形由不同翼型构建而成,属Ξ收稿日期:2009-09-22基金项目:国家863计划资助项目(2007AA03Z563);中国博士后科学基金资助项目(20070420832);湖南省科技资助项目(2008RS4033)作者简介:周鹏展(1973—),男,博士后。
于超长三维曲面壳体结构,且存在大量过渡层和夹芯结构,所以其铺层结构也很复杂,此外,风力机叶片的载荷分布也不规则,求取复合材料风力机叶片结构的解析解非常困难,所以有限元法开始在风力机叶片结构分析中广泛应用。
目前国内外学者在风力机叶片的模态分析、应力和变形分析、结构优化、疲劳分析等方面开展了许多研究[6-9],给大型复合材料风力机叶片结构分析提供了可以借鉴的分析方法。
1 风力机叶片结构有限元模型111 叶片结构有限元分析理论基础[10]叶片结构有限元分析的理论基础是有限单元法,它通过将结构比较复杂的大型几何体离散成有限数目单元体,对每个单元体应用弹性力学基本方程和最小位能原理进行联立求解,得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析,可解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
对于一个连续的弹性体,在用有限元法进行离散化后,这些单元都通过节点传递载荷,则任意单元体的位移向量U 可表示为U =Nue (1)式中,U 为任意单元体的位移向量;N 为形函数矩阵;u e 为任意单元体节点的位移向量。
根据连续弹性体的几何方程和式(1),并令B =LN ,则任意单元体的应变向量ε可表示为ε=LU =LNu e =Bu e(2)式中,ε为任意单元体的应变向量;L 为微分算子;B 为单元应变矩阵。
根据连续弹性体的物理方程和式(2),则任意单元体的应力向量σ可表示为σ=D ε=DBu e(3)式中,σ为任意单元体的应力向量;D 为弹性矩阵。
根据最小位能原理,在体积域V 内,系统总的载荷向量P 可表示为P =K U =∑e K e Nue (4)式中,K 为系统总的刚度矩阵,K =∑e Ke =∑e ∫V e B T DB d V ;K e 为单元刚度矩阵;V e 为单元体积域;P为系统总的载荷向量。
再利用结构的力和位移边界条件,可求得整个有限元系统的应力、应变、位移及载荷。
另外,根据瞬时最小势能原理,可导出结构的运动微分方程:M ¨U +C U +K U =P(5)式中,M 、C 为系统总的质量矩阵、阻尼矩阵。
对于自由振动状态,外力为零,故式(5)可表示为M ¨U +C U +K U =0(6)由式(6)可求取系统的固有频率与振型。
112 叶片基本参数及极限挥舞载荷计算中所采用的叶片是某款应用于G L3A 风场的1500kW 大型复合材料风力机叶片,其长度为40125m ,基本参数如表1所示,根据该大型复合材料风力机叶片的几何外形参数及翼型数据在三维大型绘图软件中绘制的叶片外形线框图如图1所示。
根据表1和图1所示的叶片基本参数和外形结构,以及德国G L2003风力机认证国际标准,并考虑安全系数取1135,用BLADE D 软件计算得到的该大型复合材料风力机叶片的叶根极限挥舞载荷为546319kN ・m 。
113 叶片结构有限元分析模型在大型有限元分析软件ANSY S 中,根据图1建立的叶片外形线框图,并根据叶片的实际铺层设计和夹芯结构设计,选择shell91单元,采用四边形映射网格,在ANSY S 中建立的叶片有限元分析模型与截面网格划分情况分别如图2、图3所示,单元数量共有41800个。
74周鹏展,等:基于ANSY S 的大型复合材料风力机叶片结构分析图1 风力机叶片外形线框图Fig.1 Frame shape of wind turbine blade表1 1500kW ΠG L3A 风力机叶片基本参数T ab.1 Basic parameters of 1500kW ΠG L3A wind turbine blade项目参数额定功率1500kW 风场等级G L3A 叶片长度40125m 额定风速1015m Πs 切入风速3m Πs 切出风速25m Πs 极限风速5215m Πs 图2 风力机叶片有限元模型Fig.2 FE M m odel of wind turbine blade 图3 有限元模型截面网格划分Fig.3 Meshed section of the FE M m odel按照IEC 61400-23-2001关于叶片全尺寸测试的国际标准,对叶根极限挥舞载荷作等效处理后,将等效载荷分别施加到叶片有限元模型的四个截面上,并对叶根边界施加全约束,建立的叶片极限挥舞载荷有限元分析模型如图4所示。
图4 极限挥舞载荷有限元模型Fig.4 Ultimate flap loads of the FE M m odel图5 叶片5阶模态的振型Fig.5 Vibration shape of the blade πs five steps m ode 2 叶片结构有限元分析结果211 叶片模态分析结果在ANSY S 中,通过振动模态分析得到的该叶片的第1～5阶振型分别如图5(a )～(e )所示。
