倪國康，1989 年畢業(yè)于上海第二工業(yè)大學機械系專業(yè)(本科)，機械工程師職稱，就職于上海玻璃鋼研究院有限公司，葉片研究室副主任，先后參于250W 到3.6MW 風力葉片系列的開發(fā)、模具、工裝等機械設計及試驗等工作，先后榮獲2007年全國建材行業(yè)技術革新一等獎、2009 年 全國建材行業(yè)技術革新二等獎、2007 年中國建筑材料科學技術一等獎等。

摘要：由于風電大型化的快速發(fā)展，使原有的葉片實驗臺無法安裝超越實驗臺臺面和高度的大型葉片。在采取實驗臺上加裝能連接葉片的實驗臺臺面端工裝，并對設計方案進行非線性接觸分析，校核葉片實驗臺及實驗臺臺面端工裝的強度和剛度，使其成為設計能力達5MW 以上的大型葉片實驗臺。該實驗臺臺面端工裝設計不僅提升了實驗臺進行大型葉片測試的能力，同時還解決了葉片測試過程中出現(xiàn)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(shù)型號葉片試驗的實驗臺臺面端工裝結(jié)構(gòu)，提高了實驗臺使用率。

1. 引言

在節(jié)能降耗，大力提倡低碳經(jīng)濟的大趨勢下，綠色能源之一的風力發(fā)電成為國家戰(zhàn)略能源長期發(fā)展的重要方向。隨著風能利用需求的增長及風電技術的發(fā)展，風力發(fā)電機組日益大型化，對其安全性和經(jīng)濟性提出了更高的要求。葉片是風電機組的關鍵核心部件之一，直接影響著整個機組的性能和成本，而葉片的開發(fā)和制造離不開對葉片性能的測試和研究。因此，葉片實驗平臺對風電葉片事業(yè)的發(fā)展有著不可或缺的積極作用。

風力發(fā)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(jié)構(gòu)和材料的成型通常同時完成，復合材料結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)的理論分析很難保證葉片滿足結(jié)構(gòu)強度要求。幾乎所有的國內(nèi)外葉片制造商和認證機構(gòu)對于新研制的葉片以及在葉片材料、結(jié)構(gòu)、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。

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(jù)。建設大型葉片實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(chǎn)業(yè)基本依賴于國外技術轉(zhuǎn)讓和技術支持這一現(xiàn)狀。如何迅速消化吸收引進技術，并對其進行再創(chuàng)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、高水平的葉片實驗平臺是開發(fā)研究的必備項目，只有葉片基礎研究水平上去了，才能為產(chǎn)業(yè)領域提供更有力、更持續(xù)的支撐。實驗平臺可為風電葉片行業(yè)的測試、檢測、標準、認證提供保證，為我國風電葉片的新產(chǎn)品開發(fā)、設計優(yōu)化、及修訂相關風電標準提供強有力的技術支持，所以建設大型葉片實驗平臺是關系風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長遠問題。

2. 實驗臺臺面端工裝設計

目前，我國3MW 葉片已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，5MW 葉片的產(chǎn)業(yè)化工作也已積極進行中。從國內(nèi)外的葉片實驗臺現(xiàn)狀來看，大型葉片實驗平臺的設計試驗能力都能滿足5MW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實驗臺臺面端設計能力能滿足3MW 葉片的測試。由于實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(jié)構(gòu)試驗能力的基礎，只是按5MW 葉片試驗標準缺少相應的實驗臺臺面端高度和寬度，故采取加裝實驗臺臺面端工裝的手段來滿足試驗要求。

如圖1(a) 所示為實驗臺臺面端工裝設計示意圖，以5MW 為例，設計連接5MW 葉片的面板和承力鋼結(jié)構(gòu)法蘭。鋼板安裝在鋼筋混凝土實驗臺臺面端，臺面端四邊共80 個長螺桿橫穿實驗臺進行緊固，用M36-10.9 級螺栓把法蘭內(nèi)圈固定在實驗臺臺面鋼板(鋼板設有一圈螺孔)上，以使面板、法蘭與實驗臺固定為一個整體。5MW 試驗葉片連接到法蘭外圈上，從而達到葉片結(jié)構(gòu)試驗的目的。不過需要在實驗臺前面挖土形成向下的斜坡，以便有足夠的高度和空間，對葉片進行翻轉(zhuǎn)和加載。
 

3. 有限元分析及校核

ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、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 實驗臺臺面端工裝設計進行數(shù)值分析，計算螺桿和法蘭內(nèi)的應力及變形位移，從而對實驗臺所用的螺桿和法蘭進行強度校核。

3.1 實驗臺模型

實驗臺的幾何模型如圖2 所示，將鋼板安裝在鋼筋混凝土實驗臺臺面端，并由四邊共80 個螺桿進行緊固。在鋼板上安裝環(huán)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，定義實驗臺各個部件的材料性能和單元類型，劃分網(wǎng)格形成有限元分析模型( 圖3)。

3.2 有限元分析

實驗臺各個部件之間相互接觸，而且每個螺桿上施加了預緊力，因此實驗臺采用有預應力功能的非線性接觸分析。首先對實驗臺有限元模型進行處理，在實驗臺各個部件：鋼筋混凝土臺、鋼板、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 實驗臺，每個螺桿的預應力為30 噸，與法蘭連接的葉片根端產(chǎn)生的最大彎矩值為20,000kNm。因此在每個螺桿單元上設置30 噸的預應力，在環(huán)形法蘭外側(cè)施加20,000kNm的外力矩，實驗臺鋼筋混凝土基底上施加全約束固定，進行實驗臺的有限元計算，求解螺桿和法蘭內(nèi)的應力應變及變形位移，從而對實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(xiàn)應力集中現(xiàn)象，最大值為318.7MPa ， 最小值為189MPa。

螺桿中段應力比較均勻，大小在230-270MPa 范圍內(nèi)變化。由此可見，在最大荷載情況下，實驗臺螺桿內(nèi)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(cè)、距中心1400mm 的倒角處出現(xiàn)了應力集中，最大應力為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(xiàn)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，最大應力為189MPa，小于法蘭的極限強度210MPa，滿足實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(cè)出現(xiàn)最大變形位移為1.16mm，也滿足實驗臺對法蘭結(jié)構(gòu)的變形要求。

4. 結(jié)論

將3MW-50m 葉片實驗臺臺面端加裝鋼板和法蘭，使其成為設計能力達5MW-70m 的大型葉片實驗臺。對5MW 實驗臺方案建立有限元模型并進行非線性接觸分析，計算在最大荷載情況下實驗臺的螺桿應力及法蘭應力和變形，校核葉片實驗臺的強度和剛度。計算結(jié)果表明，在最大荷載情況下實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(fā)生變形，符合試驗臺對結(jié)構(gòu)變形的要求。

該實驗臺臺面端工裝設計不僅提高了實驗臺進行大型葉片測試的能力，節(jié)約了實驗場地和建設費用，還解決了葉片測試過程中出現(xiàn)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(shù)型號的葉片試驗的實驗臺工裝結(jié)構(gòu)。同時開拓了葉片相關技術人員專業(yè)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(jù)。