大型葉片試驗臺工裝設計

李東海，倪國康，王小涌
(上海玻璃鋼研究院有限公司，上海201404)

摘　要　在3MW-50m葉片試驗臺基礎上加裝工裝設計，并對設計方案進行非線性接觸分析，校核葉片試驗臺的強度和剛度，使其成為設計能力達5MW-70m的大型葉片試驗臺。該試驗臺工裝設計不僅提高了試驗臺進行大型葉片測試的能力，還解決了葉片測試過程中出現葉根固定處變形松動等問題，提供了一種能提高葉片測試準確性和適合大多數型號的葉片試驗的試驗臺工裝結構。
關鍵詞：風電葉片；試驗平臺；工裝設計

1　引  言

　　在節能降耗，大力提倡低碳經濟的大趨勢下，綠色能源之一的風力發電成為戰略能源長期發展的重要方向。隨著風能利用需求的增長及風電技術的發展，風力發電機組日益大型化，對其安全性和經濟性提出了更高的要求。風輪葉片作為風力發電機組重要的部件之一，在使用過程中發生失效將會帶來巨大的經濟損失。因此，風輪葉片在設計壽命期內能否安全、可靠運行非常重要。風力發電機組葉片通常采用玻璃纖維增強復合材料，與金屬材料不同，復合材料結構和材料的成型通常同時完成，復合材料結構的強度受原材料性能、材料組成、加工工藝等諸多不確定因素的影響，僅僅依靠基于材料性能數據的理論分析很難保證葉片滿足結構強度要求。幾乎所有的國內外葉片制造商和認證機構對于新研制的葉片以及在葉片材料、結構、工藝有大的改動情況下都要求進行全尺寸葉片試驗，以驗證葉片強度。因此，葉片的全尺寸測試是我國葉片產業無法回避的問題，建設大型葉片試驗平臺十分緊迫。
　　另外，全尺寸試驗還可以為葉片設計、使用、維護提供重要依據。建設大型葉片試驗平臺是進行葉片基礎研究的基礎。由于歷史原因，我國風能技術的基礎研究和應用研究都還落后，導致我國葉片產業基本依賴于國外技術轉讓和技術支持這一現狀。如何迅速消化吸收引進技術，并對其進行再創新，培育葉片的自主設計能力和自主測試能力，成為擺在我國葉片領域科技人員面前的難題。相對而言，大型、全面、高水平的葉片試驗平臺是開發研究的必備項目，只有葉片基礎研究水平上去了，才能為產業領域提供更有力、更持續的支撐嘲。所以，建立大型葉片試驗機構是關系風電產業發展的長遠問題。

2　試驗臺工裝設計

　　目前，我國3MW葉片已實現產業化，5MW葉片的產業化工作也已積極進行中。從國內外的葉片試驗臺現狀來看，大型葉片試驗平臺的設計試驗能力都能滿足5MW-70m葉片的試驗要求，BLEAST更是能夠滿足100m葉片的測試。
　　上海玻璃鋼研究院有限公司的葉片試驗臺設計能力能滿足3MW-50m長度葉片的測試。但試驗臺的鋼筋混凝土地基是按5MW受力要求標準設計建造的，符合5MW試驗所承受的載荷標準，具備大型葉片結構試驗能力的基礎，只是按5MW-70m長葉片試驗標準缺少相應的試驗臺高度、寬度及安裝工裝。
　　如圖1(a)所示為試驗臺工裝設計示意圖，設計連接5MW葉片的面板和承力鋼結構法蘭。鐵板安裝在鋼筋混凝土試驗臺的側面，并由四邊共80個螺桿進行緊固，用M36-10.9級螺栓把法蘭內圈固定在試驗臺原有的一圈螺孔上，以使面板、法蘭與原有的試驗臺固定為一個整體，然后試驗葉片就可以連接到法蘭外圈上，從而達到葉片結構試驗的目的。不過需要在試驗臺前面挖土形成向下的斜坡，以便有足夠的空間，對葉片進行翻轉和加載。

3　有限元分析及校核

　　ANSYS軟件是融結構、流體、電磁、聲熱以及耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。這里采用ANSYS軟件對5MW試驗臺工裝設計進行數值分析，計算螺桿和法蘭內的應力及變形位移，從而對試驗臺所用的螺桿和法蘭進行強度校核。
3.1　試驗臺模型
　　試驗臺的幾何模型如圖2所示，將鐵板安裝在鋼筋混凝土試驗臺側面，并由四邊共80個螺桿進行緊固。在鐵板上安裝環形法蘭，用于固定葉片根端。法蘭具體尺寸見圖1(b)法蘭示意圖。幾何模型建立完成后，定義試驗臺各個部件的材料性能和單元類型，劃分網格形成有限元分析模型(圖3)。

3.2　有限元分析
　　試驗臺各個部件之問相互接觸而且每個螺桿上施加了預緊力，因此試驗臺采用有預應力功能的非線性接觸分析。先對試驗臺有限元模型進行處理，在試驗臺各個部件：鋼筋混凝土臺、鐵板、法蘭以及螺桿的相互接觸面上增加一層接觸單元，并定義識別接觸對及接觸行為的類型，同時對每個螺桿單元定義預應力功能。對于5MW試驗臺，每個螺桿的預應力為30噸，與法蘭連接的葉片根端產生的大彎矩值為20,000kNm。因此在每個螺桿單元上設置30噸的預應力，在環形法蘭外側施加20,000kNm的外力矩，試驗臺鋼筋混凝土基底上施加全約束固定，進行試驗臺的有限元計算，求解螺桿和法蘭內的應力應變及變形位
移，從而對試驗臺所用的螺桿及法蘭進行強度校核。
3.2.1　螺桿應力
　　如圖4所示，螺桿兩端出現應力集中現象，大值為318.7MPa，小值為189MPa。螺桿中段應力比較均勻，大小在230-270MPa范圍內變化。由此可見，在大荷載情況下，試驗臺螺桿內應力遠小于螺桿屈服強度762MPa，滿足強度要求。

3.2.2　法蘭應力及變形位移
　　圖5(a)為倒角半徑為50mm的法蘭正應力圖，在法蘭受拉側、距中心1400mm的倒角處出現了應力集中，大應力為296MPa，超出了法蘭的極限強度210MPa。為滿足設計要求、減小應力集中，現將倒角半徑增大，倒角半徑由50mm修改為100mm。倒角半徑增大后的法蘭應力如圖5(b)所示，大應力為189MPa，小于法蘭的極限強度210MPa，滿足試驗臺對法蘭強度的要求。

　　圖6為增大倒角半徑后法蘭的變形圖，在法蘭外邊緣受拉側出現大變形位移為1.16mm。也滿足試驗臺對法蘭結構的變形要求。

4　結論

　　將3MW-50m葉片試驗臺加裝鐵板和法蘭，使其成為設計能力達5MW-70m的大型葉片試驗臺。對5MW試驗臺方案建立有限元模型并進行非線性接觸分析，計算在大荷載情況下試驗臺的螺桿應力及法蘭應力和變形，校核葉片試驗臺的疆度和剛度。計算結果表明，在大荷載情況下試驗臺方案的螺桿應力遠小于螺桿的極限應力，滿足強度要求。同時對方案中法蘭的設計進行修改，將法蘭倒角半徑增大后，法蘭應力小于其極限強度應力，滿足強度要求，而法蘭基本沒發生變形，符合試驗臺對結構變形的要求。
　　該試驗臺工裝設計不僅提高了試驗臺進行大型葉片測試的能力，節約了試驗場地和建設費用，還解決了葉片測試過程中出現葉根固定處變形松動等問題，提供了一種能提高葉片測試準確性和適合大多數型號的葉片試驗的試驗臺工裝結構。同時開拓了葉片相關技術人員專業技術能力和技術廣度能力，對于未來超大型葉片試驗，有了進一步的理論和實踐運用基礎，為葉片設計、使用、維護提供重要依據。