基于流固耦合的风力机叶片疲劳破坏分析

张亚楠，周 勃，孙成才，陈长征

(1.沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870；2.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870)

实验研究

基于流固耦合的风力机叶片疲劳破坏分析

张亚楠1，周 勃2，孙成才2，陈长征1

(1.沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870；2.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870)

流固耦合条件下风力机的叶片应力分析对大型风力机的疲劳破坏分析具有重要意义。本文以1.5 MW风力机叶片作为研究对象，基于计算流体力学(CFD)和Ansys Workbench仿真分析开展风力机叶片气动力性能的流固耦合分析，以风力机叶片空气动力载荷、旋转惯性载荷作为主要载荷与结构变形的流固耦合交界面的载荷数据传递问题。结果表明，从弦长最大处到靠近叶尖1/3位置处，叶片后缘处应力呈增长趋势，在靠近叶根处出现应力集中现象，最大应力达到了5.6 MPa，容易出现裂纹损伤，与风力机现实运行中出现的断裂部位接近。证明本文所采用的分析方法的合理性。

流固耦合；风力机叶片；疲劳破坏；数据传递

0 前言

风力机叶片优化设计的主要目的是提高风能利用率，理论计算分析往往是在简化模型的基础上进行的，风力机运行中有些复杂情况无法准确预测，通过仿真技术能弥补这一缺陷。传统上一般将风轮叶片简化成变截面悬臂梁，风的动力效应等效成静风力载荷来考虑。然而，实际上由于风力机工作在恶劣的大自然环境中，风剪切、随机阵风、风力机起停等都会造成作用在风力机叶片上的荷载变化。而传统的分析方式往往忽略了风载与叶片结构的耦合作用，对风力机正常运转造成较大的影响[1-2]，不利于风力机的安全运行。

因此，国内外一些学者开展了风力机流固耦合方面的研究工作。张瑞琴等人对 NACA0012 翼型进行了流固耦合作用下的颤振研究[3]，得到颤振频率与叶片低阶固有频率一致，来流速度和攻角是影响叶片气动弹性稳定性的重要因素。胡芳琳等[4]利用RANS方程和SSTκ-ω湍流模型对旋转叶片周围的流场进行数值模拟，开展了风力机叶片气动性能的流固耦合分析方法研究。任年鑫[5]等利用浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析，分别研究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律。国内外研究表明，利用流固耦合技术对固体结构应力分析，相比加载流体载荷求解更加精确[6-8]。但是，目前国内对基于流固耦合的全尺寸风力机叶片结构强度研究还比较少。特别是对于全尺寸叶片在流固耦合条件下，叶片表面应力集中位置的研究几乎还没有涉及。

本文建立1.5 MW风力机叶片的全尺寸流固耦合分析模型，利用计算流体力学与Ansys Workbench对风力机叶片在空气动力载荷和旋转惯性载荷作用下的风力机叶片结构应力变化进行研究。

1 流固耦合理论方程

1.1 计算流体力学基本控制方程

控制方程是物理学守恒定律的数学表达形式，流体在流动过程中要遵守质量守恒定律和动量守恒定律等基本守恒定律。

(1) 质量守恒方程。流体流动质量守恒是流体介质流过空间某一控制体V，在相同的时间内，控制体内的质量变化率等于穿过控制体表面S的质量流量。其积分形式表示为

(1)

经过化简计算式(1)变为

(2)

此方程也称为连续方程，引入散度表达方式，式(3)可表示为

(3)

式中，ρ为流体密度；n为单位法向向量；t为流体流动时间；U为流体速度矢量；u、v和w为U在x、y和z方向上的分量。

风力机叶片流场仿真过程中，将空气视为不可压缩气体，密度ρ为常数，那么式(2)则变为

(4)

(2)动量守恒方程。动量守恒是从牛顿第二定律发展过来的，可以表述为：控制体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在控制体上的各种力之和。在x、y和z三个方向的动量守恒方程可表示为

(5)

式中，p为流体控制体上的压力；τxx、τxy和τxz分别为控制体表面上粘性应力τ的分量；Fx、Fy和Fz分别为控制体上的体力。

1.2 计算固体力学基本控制方程

在广义坐标系下利用牛顿第二定律推导出固体结构的守恒方程为

(1.6)

1.3 流固耦合方程

流固耦合过程在流固耦合交界面处以守恒原则为基础，实现流体和固体之间的数据传递，在不考虑温度传递的情况下，流固耦合交界面处应满足的方程为

(7)

式中，τf、τs分别为流体和固体的应力；df、ds分别为流体和固体的位移。

2 风力机叶片结构有限元计算模型

风力机叶片一般选用具有强度高、重量轻、耐老化、疲劳性能好和低成本特点的无碱型玻璃纤维增强材料(E-Glass)。这种材料是以环氧树脂或不饱和树脂为基底加入不同长度的E-玻璃纤维制成，本文采用的是以环氧树脂和E-玻璃纤维(Epoxy-EGlass)铺设而成的玻璃钢材料，其参数性能如表1所示。

表1 玻璃钢材料参数

首先以单向玻璃纤维布(Epoxy-E Glass-UD)为基础铺设子层纤维布，铺层时以单向玻璃纤维布的纤维方向为基准方向，即0°方向，然后以90°方向、45°方向和-45°方向交错铺设[9]。定义完所需的铺设材料后选择合适的铺层方式在已建立的叶片模型上进行铺设，在叶片内部加强梁平面上，基准方向指向叶片外围，厚度方向指向叶展方向，如图1所示，其中黄色箭头指向基准方向，紫色箭头指向铺层厚度方向。

图1 叶片内部加强梁铺层设计

叶片表面蒙皮铺层时要考虑到叶展方向上蒙皮厚度不同的特点，由于越靠近叶根位置受到的弯矩和扭矩越大，因此沿叶展方向蒙皮厚度逐渐变薄。铺设的第一层包含整个叶片，且基准方向指向叶展方向，其纤维排布如图2所示，绿色箭头指向纤维排布方向，从图中可以看出子层玻璃纤维交错排列方式。

图2 叶片纤维排布方向

完成纤维复合材料叶片蒙皮铺层后，蒙皮厚度变化趋势如图3所示，可以看到蒙皮厚度从叶根处厚度66 mm逐级递减到叶尖处厚度的16 mm，单个叶片的总重量6 100 kg，满足设计要求。

图3 叶片铺层厚度

3 流固耦合分析

选择流体运算1.03 s时刻作为流固耦合时间节点，图4为流固耦合后叶片压力面和吸力面上的应力分布云图，从压力面应力分布情况可以看出，叶片截面弦长较大位置和叶片中部应力值较大，表明这些区域是气动载荷的主要承载区域，提供了叶片旋转所需的动力。压力面上应力整体大于吸力面上应力，只是在叶片后缘处比较接近，叶片后缘处应力较大是由于边缘比较薄引起的。从弦长最大处到靠近叶尖1/3位置处，叶片后缘处应力呈增长趋势，主要是因为叶片厚度从叶根到叶尖厚度逐渐变薄且相对风速越来越大。在靠近叶根处出现应力集中现象，最大应力达到了5.6 MPa，因此在叶片根部容易出现疲劳破坏，与风力机现实运行中出现的疲劳破坏部位比较接近。

图4 叶片压力面和吸力面应力云图

图5为叶片在空气动力载荷与旋转惯性载荷综合作用下的变形情况，从图5b可以看到叶片总变形量从叶片中部开始出现变化，并在叶尖处达到最大变形位移98.5 mm，证明了叶片在设计安装时进行预弯的必要性。对比全局坐标系下x、y、z方向上的变形结果发现z方向上叶片拉伸变形很小，对于几十米长的叶片可以忽略其影响，因此，叶片变形主要由x、y负方向上的变形综合引起，其中x负方向上影响占到25%左右，y负方向上影响占到75%左右，表明y负方向上的挥舞变形为叶片上主要振动变形形式，是造成叶片破坏的主要原因。

图5 叶片变形云图

4 结论

(1)从弦长最大处到靠近叶尖1/3位置处，叶片后缘处应力呈增长趋势，且在靠近叶根处出现应力集中现象，最大应力达到了5.6 MPa，容易出现疲劳破坏。

(2)空气动力载荷与旋转惯性载荷综合作用下叶片变形主要由x、y负方向上的变形综合引起，其中x负方向上影响占到25%左右，y负方向上影响占到75%左右，表明y负方向上的挥舞变形为叶片上主要振动变形形式，是造成叶片破坏的主要原因。

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Fatigue failure analysis of wind turbine blade based onfluid structure interaction

ZHANG Ya-nan1, ZHOU Bo2, SUN Cheng-cai2, CHEN Chang-zheng1

(1. School of mechanical engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China;2. School of architecture & civil engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The analysis of wind turbine blade stress under the condition of fluid solid coupling is great significance to the analysis of the fatigue failure of large wind turbine. In this paper, 1.5 MW wind turbine blade as the research object, carry out simulation analysis coupling dynamic performance in wind turbine gas flow based on computational fluid dynamics (CFD) and Ansys Workbench, and analysis the load data transfer problem between taking aerodynamic load and the rotating inertial load as the main load and the load of fluid solid coupling interface of structural deformation the wind turbine blade. The results show that the stress at the trailing edge of the blade is increasing, from the maximum chord length to near the tip position of 1/3, stress concentration appears at the root of the blade. The maximum stress is 5.6 MPa, and the position is easy to crack damage, which is close to the fracture site in the reality operation of wind turbine. The rationality of the analytical method used in this paper is proved.

fluid structure interaction; wind turbine blade; fatigue failure; data transfer

2016-06-24；

2016-08-19

国家自然科学基金项目(51575361)；中国博士后科学基金项目(2014M560220)；辽宁省百千万人才工程项目(2015049)

张亚楠(1988-)，男，辽宁鞍山人，博士研究生，研究方向为风力机叶片裂纹扩展分析。

TK83

A

1001-196X(2017)02-0021-04