1  引 言
 

      隨著世界能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，以及公眾對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境要求的呼聲不斷高漲，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源越來(lái)越受到各國(guó)政府的重視。目前，全世界約有50多個(gè)國(guó)家頒布了支持可再生能源發(fā)展的相關(guān)法律法規(guī)，對(duì)風(fēng)電發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正逐步發(fā)展成為初具規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)[ 1 , 2 ]。當(dāng)前，各國(guó)正加快對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究步伐，不斷推出新的技術(shù)裝備。
 

       風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片（簡(jiǎn)稱風(fēng)機(jī)葉片）是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的關(guān)鍵部件之一，葉片的翼型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)形式，直接影響風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率[ 3 , 4]。其中根端連接是葉片設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的地方，因?yàn)閷⑷~片根端固定到輪轂上，鋼輪轂和制造葉片的材料一般為玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP），它們之間的相關(guān)剛度差有數(shù)量級(jí)的差別，妨礙載荷的平滑傳遞。通常采用螺栓進(jìn)行連接，螺栓可以沿軸向嵌入葉片的材料中或沿半徑方向穿過(guò)葉片殼體，但這兩種情況中葉片根端應(yīng)力集中都是不可避免的[5]。同時(shí)葉片在載荷工況作用下，葉根連接螺栓的強(qiáng)度分析也十分重要。
 

       本文采用ANSYS有限元軟件對(duì)葉片根端連接部分建立有限元分析模型，并對(duì)葉根玻璃鋼部分及T型連接螺栓進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核，從而指導(dǎo)葉片根端連接的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及材料的選用。
 

2.1  葉片結(jié)構(gòu)外形及材料屬性
 

       目前風(fēng)電場(chǎng)中采用較多的1.5MW級(jí)變速變槳風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片，其葉片根端連接如圖1(a) 所示。葉片根端橫截面為圓環(huán)形，其外圓直徑為1890mm，內(nèi)圓直徑為1710mm，中心圓直徑為1800mm，根端長(zhǎng)度取800mm。從根端沿著中心圓周線均勻打孔并安裝54根T型螺栓接頭連接軸承。T型螺栓接頭，如圖1(b) 所示，由插到葉片殼體縱向孔內(nèi)的鋼螺柱，與保持在橫向孔內(nèi)的柱狀螺母進(jìn)行連接。葉片殼體縱向孔直徑為32mm，長(zhǎng)度為200mm，葉片殼體橫向孔直徑為65mm，橫向孔軸線距根端為190mm。鋼螺柱中間圓桿直徑為23.1mm，長(zhǎng)度為260mm，兩端螺紋直徑為30mm，長(zhǎng)度為80mm。柱狀螺母直徑為65mm，長(zhǎng)度為110mm。

根端玻璃鋼的主要成分是三軸布，T型螺栓接頭采用42 CrMo鋼, 其材料參數(shù)如表1所示。

 

表1  玻璃鋼及42 CrMo鋼的材料參數(shù)

       在變漿風(fēng)力機(jī)組中，軸承插在每個(gè)葉片和輪轂之間，使葉片可以繞軸旋轉(zhuǎn)或調(diào)節(jié)槳距。其中軸承的內(nèi)環(huán)螺圈與葉片根端的T型螺栓接頭連接,而外環(huán)螺圈固定到輪轂上[5]。同時(shí)為了使葉根的疲勞荷載影響減至最小，標(biāo)準(zhǔn)操作是給T型螺栓加上預(yù)緊力，對(duì)于1.5MW級(jí)變速變槳風(fēng)力機(jī)，對(duì)其葉根的每個(gè)T型螺栓施加預(yù)緊力300 kN。
 

       葉片在正常工作狀態(tài)和故障情況下，會(huì)受到各種不同的風(fēng)況影響。根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組第一部分 安全要求》（IEC61400-1）規(guī)范[6]，通 過(guò)氣動(dòng)載荷計(jì)算等，到葉片根端處的極限葉根彎矩5360 kNm及軸向力250kN。
 

3  有限元分析
 

       ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁、聲熱以及耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、土木、水利、航空、電子、生物等眾多領(lǐng)域，是這些領(lǐng)域進(jìn)行國(guó)際國(guó)內(nèi)分析設(shè)計(jì)技術(shù)交流的主要分析平臺(tái)[7]。

3.1  有限元模型

       由于葉片根端連接模型、載荷及邊界條件的對(duì)稱性，這里我們?nèi)“雮€(gè)根端連接結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象建立有限元模型如圖2所示。葉片根端通過(guò)T型螺栓與軸承內(nèi)環(huán)螺圈連接，軸承的外環(huán)螺圈施加固定約束。對(duì)每個(gè)T型螺栓施加300kN的預(yù)緊力，葉片上施加極限葉根彎矩2680 kNm及軸向力125kN。同時(shí)在葉片剖面上施加對(duì)稱邊界條件，在葉片根端、T型螺栓、軸承以及軸承內(nèi)滾珠相互之間的接觸面采用接觸單元，選擇合適的網(wǎng)格密度劃分模型，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)控制計(jì)算的收斂性，進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)分析。
 

3.2  玻璃鋼強(qiáng)度分析
 

       由于對(duì)稱性取半個(gè)葉片根端結(jié)構(gòu)作為模型，沿著葉片中心圓周線方向，通過(guò)殼體內(nèi)橫向孔與孔內(nèi)柱狀螺母的擠壓接觸，再由鋼螺柱與軸承的連接，將葉片上的荷載通過(guò)T型螺栓傳遞給軸承。因此葉片根端橫向孔間的玻璃鋼，橫向孔與孔內(nèi)柱狀螺母的擠壓接觸面是發(fā)生應(yīng)力集中的重要部位，是葉片根端強(qiáng)度校核的關(guān)鍵區(qū)域。根據(jù)建立的半個(gè)葉片根端連接結(jié)構(gòu)有限元模型，施加荷載并進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)分析，求解得到葉片根端玻璃鋼的應(yīng)力分布結(jié)果。圖3所示為葉片根端玻璃鋼應(yīng)力云圖，可以看出在遠(yuǎn)離孔邊的葉根玻璃鋼應(yīng)力比較小，數(shù)值一般為30MPa左右。但是靠近孔邊的玻璃鋼應(yīng)力較大，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為163.7MPa，最小應(yīng)力為-140.6MPa?，F(xiàn)沿著葉片圓周線將半個(gè)葉片從0到180度劃分，并依次對(duì)橫向孔間葉片及橫向孔與柱狀螺母接觸面正應(yīng)力求解。如圖4所示，沿著圓周線方向橫向孔間葉片正應(yīng)力基本成線性變化，從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，最大拉壓力為150MPa，最小壓應(yīng)力為-50MPa。而橫向孔與柱狀螺母接觸面正應(yīng)力為壓應(yīng)力，沿圓周線方向基本保持不變，約為-100MPa左右。由此可見，葉片在風(fēng)載荷作用下，最大拉壓力發(fā)生在葉片根端橫向孔間的玻璃鋼上，最大壓應(yīng)力發(fā)生在葉根橫向孔與柱狀螺母接觸面處，并且強(qiáng)度滿足玻璃鋼材料許用應(yīng)力要求。

3.3  T型螺栓強(qiáng)度分析

       對(duì)于T型螺栓連接結(jié)構(gòu)，葉根失效多發(fā)生于螺栓而非玻璃鋼部分，因此葉根連接螺栓的強(qiáng)度分析也十分重要[5,8]。半葉片根端結(jié)構(gòu)含有27個(gè)螺栓，其應(yīng)力結(jié)果如圖5所示，鋼螺柱的應(yīng)力為拉應(yīng)力，數(shù)值范圍為658—809MPa，滿足T型螺栓材料42CrMo鋼的許用應(yīng)力要求。圖6為對(duì)應(yīng)的鋼螺柱軸力圖，其軸力數(shù)值從345kN減小到255kN，基本成線性變化。

4  結(jié)  論

      本文采用ANSYS軟件對(duì)葉片根端連接部分進(jìn)行有限元分析，確定了葉根玻璃鋼部分發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的區(qū)域并進(jìn)行了強(qiáng)度分析，滿足玻璃鋼材料的許用應(yīng)力要求。同時(shí)對(duì)T型連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度分析，確定了螺栓應(yīng)力的變化范圍，滿足螺栓材料42 CrMo鋼的許用應(yīng)力要求，為葉片根端連接的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及選材提供有效的依據(jù)及指導(dǎo)。