1.5MW风机叶片根部连接结构强度分析

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风能作为可再生的绿色环保能源 ，凭借其巨大的商业潜力和环保效益，在全球新能源和可再生能源行业中创造了最快的增长速度，是目前世界上能源领域发展最快的高新技术之-。风电机组运行环境恶劣，作为捕获风能的关键部件，风机叶片的运动状况和受力情况非常复杂，承受着大部分的动态和静态载荷；其动态响应 、结构强度和稳定性对风力发电机组的可靠性起着非常重要的作用。随着风轮向大型化、轻量化、高性能、低成本的方向发展，为了提高其性能和质量，目前大型风机叶片基本上都采用各种复合材料通过铺放和树脂浸透等成型工艺制造而成 。整个叶片可简化为悬臂梁的结构形式，叶片根部结构将叶片与轮毂连接为-体，承受的载荷最大，情况尤其复杂，要求其必须具有足够的强度和弯扭刚度。为此，对其进行结构强度分析，预测应力应变的分布规律，进而指导根部铺层设计是风机叶片结构设计的重要内容之-。

2叶片根部有限元模型的建立风机叶片的铺层结构设计是使其强度和刚度在满足使用寿命和安全l生的条件下，确定整体铺层角度、顺序和厚度，包括单轴向布、多轴向布、夹芯材料等。根部铺层顺序具有-定的周期性，所以基于SUN等提出的复合材料厚板结构有效弹性常数等效方法对叶片根部铺层材料进行性能等效，即将根部数百层复合纤维材料铺层等效为正交各向异性材料，不但可以极大地提高建模效率，且在建模的过程中可以将叶片根部复杂的连接结构考虑其中 。

2.1根部连接结构建模叶片根部呈规则的圆筒状，通过 T型螺栓将其固定于轮毂上，根部连接结构，如图 1所示。

图 1叶片根部连接结构Fig.1 Linkage Structure of Wind Turbine Blade Root来稿 日期：2012-07-14基金项目：国家自然科学基金(51l65028)；内蒙古自然科学基金(2m1MS0710)作者简介：孙鹏文，(1966-)，男，蒙族，内蒙古阿巴嘎旗人，教授，博士，主要研究方向：复合纤维风机叶片结构设计No.5Mav.201 3 机械设计与制造 209属于安全区域。经分析，A区域和日区域应力值较大，需给予重点关注。所研究叶片根部模型铺层材料共包括四种类型：[0。]、[±45 o]、[90。/45。]和[0。/45。]。材料实验数据根据ISO 527-5：2009标准测试 ，作为材料校核基本强度数据。铺层各材料参数，如表 3所示。

表 3铺层各材料参数Tab.3 Parameter Value of Lay-Up Material叶片根部区域各危险点应力数值为：拉应力： 122.8MPa；or2 26.35MPa；压应力： l -150.3MPa；o"2 -27.45MPa；剪应力：Jrl2 32.03MPa；72 -32.28MPa；采用Tasi-wu强度准则， ±45。]铺层为例进行强度校核： 1- 1 6.7×1旷5t -4.73×10F2 1- 2.52×10。

3则 5Gz- 、 -8.631.，(10： 6.09×10-4L2将拉应力相应数值代入 ：FiorI 2 l ： 22 10"20.702<1将压应力相应数值代人 ：F，o-l 2 l ； 22 l 0.699<1故[±45。]铺层材料满足强度要求。

其余三种类型铺层材料的校核与此相同，经校核，亦满足要求。

3-2 T型螺栓的强度校核图5螺栓等效应力云图Fig.5 Equivalent Stress of Bolt据风机运行现场叶片失效案例统计分析，风机叶片与根端采取 型螺栓连接的结构中，主要的失效形式为 71螺栓而并非玻璃钢部分，因此螺栓强度的校核十分关键171。

如图 5所示，螺杆与柱状螺母连接处发生应力集中现象，最大等效应力为 825.8MPa。与根部玻璃钢接触部分应力值较大，平均 450MPa左右；安装时旋入轮毂部分应力值相对偏低，且越接近轮毂值越小，普遍低于 40MPa。

在轮毂与叶片根部接触的分界面，螺栓应力值变化较大。螺栓材料属于塑性材料 ，通常以屈服的形式失效，宜采用第四强度理论校核。

机组根部连接螺栓选型材料 为 42CrMoA，许用应力为960MPa。由应力分析结果可知螺栓的第-、第二和第三主应力1，盯 ， 3分别为 921MPa、311.1MPa和 149.2MPa，将各应力值代入 ：、/争 ) (or2-(r3) [(r3 705MPa<[or]螺栓选型满足强度要求。

4结论基于 SUN等提出的复合材料厚板结构有效弹性常数等效的方法对风机叶片根部铺层材料进行性能等效计算，对叶片根部进行了实体建模，在极值载荷工况下对叶片根部区域应力应变作了分析，对 T型螺栓进行了强度校核，以第四了校核，证明其满足安全陛要求。为叶片根部的设计、优化及选材提供可靠的依据。提出了-种具有工程实用价值的复合纤维风机叶片根部结构静强度分析方法，对其安全性提出评价，可为第三方认证公司提供理论计算结果和参考，缩短认汪时间，降低成本。