大型風電葉片模具結構設計淺析

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摘要：從大型超長葉片模具的結構研究入手，提供了葉片模具設計和分析技術。先利用三維軟件的建模功能，提供一種大型風力發(fā)電葉片模具設計技術，具體包括模具的型面、法蘭、鋼架、翻轉臂等設計方法，接著利用Abaqus軟件的分析功能，提供了一種葉片模具有限元分析技術，對模具鋼架在各種翻轉工況下的受力變形情況進行了分析。結果表明模具設計滿足強度和剛度要求，達到了模具制造要求，分析計算結果為模具制造提供了可靠的前期保證。

關鍵詞：風力發(fā)電模具設計鋼架分析

0引言

隨著全球低碳排放的呼聲日盛，以及能源短缺、能源供應趨勢日益緊張，新能源作為一種清潔無污染，有益于環(huán)境保護的能源，在全球各國的能源戰(zhàn)略中地位不斷提高。風能資源作為可再生能源中成本較低、技術較為成熟、可靠性較高的新能源，近年來發(fā)展很快并開始在能源供應中發(fā)揮重要作用。近年來，隨著大功率風力發(fā)電機的發(fā)展和南方低風速風場的開發(fā)，大型超長葉片的技術研究愈來愈重要。同時，相應大型超長葉片的大型模具的設計和開發(fā)也為高精度、高質量的葉片成型提供了堅實的基礎。許蕾［1］等利用UG軟件的建模及分析能力，對葉片模型進行了法蘭設計和分段鋼架設計，為風機葉片模具分段設計提供了參考。石鵬飛［2］從傳統(tǒng)風電葉片出發(fā)，闡述了殼體模具設計制作工藝，為各類型號的風電葉片模具設計制作提供了重要實踐參考。李淼［3］等利用有限元分析軟件ANSYS對鋼架進行了優(yōu)化設計，對葉片模具的優(yōu)化設計提供了參考。李良君［4］從陽模和陰模的制造工藝和過程闡述了葉片模具的生產(chǎn)，并指出了其存在的問題和發(fā)展方向。一個具有良好氣動外形的葉片，可以提高機組的能量轉化效率，獲得更多的風能，葉片模具是保證外形的關鍵方法，模具的設計與制造是葉片的關鍵技術之一。本文從大型風電葉片模具的設計出發(fā)，利用三維軟件強大的建模功能，對葉片模具進行設計，并利用有限元分析軟件Abaqus對葉片模具進行結構計算，為葉片模具制作提供可靠依據(jù)。

1葉片模具設計

1．1模具型面設計

葉片的氣動外形確定后即可對葉片模具進行設計。葉片組成主要包括迎風面殼體（PS面）、背風面殼體（SS面）、腹板、梁等。葉片結構示意圖如圖1所示。葉片模具設計時，需要對模型進行分模，該步驟在葉片姿態(tài)下進行，分模線確保葉片脫模時不卡在模具內，在模型中得到葉片弦長最長的外形輪廓曲線，將該輪廓曲線投影到葉片曲面上得到合?？p曲線，對模型進行對稱分模，前緣合模縫寬度3mm，后緣合模縫寬度2mm。然后調整PS、SS葉片的前后緣高度差接近于0，接著調整葉片姿態(tài)到模具狀態(tài)下，保證葉尖離地高度、葉根離地高度需滿足生產(chǎn)車間要求，一般要求葉尖離地高度接近于葉根離地高度，同時PS面模具和SS面模具葉片最低點需不小于500mm。模具姿態(tài)調整結束后，進行法蘭設計。在模具的前緣和后緣位置隨型生成輔助面，法蘭的寬度為300mm。

1．2模具鋼架設計

模具型面及法蘭確定后，從模具分型線偏移得到鋼架前后緣上部框架線，將這兩條空間曲線投影在地面上作為底部框架線，這4條空間線組成模具鋼架主體。將模具型面內表面往外偏移得到鋼架型面支撐板的上部輪廓，模具型面最低點處的弦向水平線向下偏移得到型面支撐板的底部輪廓，型面支撐板為鋼板制作，展向每間隔2m設計一個，型面支撐板上有限位調節(jié)機構，用于調整玻璃鋼模具的形狀?？蚣苤黧w采用100mm×150mm×5mm的鋼管，每段截面處的豎梁采用100mm×100mm×4mm的鋼管，并用80mm×80mm×3mm的鋼管做斜撐輔助，鋼管材質為Q345。SS面模具固定在地面，與地面用地腳螺栓連接，PS面模具可翻轉，底部有方便滑動的腳輪，減少模具翻轉過程中的摩擦變形。調節(jié)機構1．3翻轉臂設計模具鋼架設計后，根據(jù)模具長度、載荷進行翻轉臂規(guī)格和數(shù)量設計，載荷包括模具重量、產(chǎn)品重量、走臺等附屬工裝配置重量。接著需確定翻轉臂的位置，翻轉臂的翻轉軸心需在同一高度的水平線上，各翻轉臂的翻轉角度差值在1°以內。

2模具有限元分析

2．1翻轉工況分析

因鋼架主體采用鋼管材質，鋼管數(shù)量較多，且鋼管截面相對于其長度較小，根據(jù)有限元分析理論鋼管可以簡化為梁單元，而不必建立精細化的實體單元進行求解，可以大大節(jié)省計算時間，且保證了計算精度，模型的網(wǎng)格精度為5mm，單元類型為B32。計算過程中將玻璃鋼模具、葉片、走臺的重量均勻加載在模具鋼架上，在翻轉臂連接位置處完全固定約束，盡可能模擬實際葉片模具的受力狀態(tài)。因實際操作過程中只需要翻轉PS面，因此只需對PS面模具的翻轉過程進行受力分析，計算時選取長度87m的模具鋼架，取翻轉過程中0°、45°、90°、135°、180°5個工況進行靜力分析，計算各個工況下的應力及變形。從圖4和圖5的分析結果可以得出，翻轉過程中90°位置處的鋼架應力最大，45°位置處的鋼架應力最小，集中在前緣上部主梁，這是因為鋼架主要受重力載荷，翻轉過程中在90°位置處所受載荷最大，45°位置處所受載荷最小；90°位置處的鋼架變形最大，180°位置處的鋼架變形最小，因90°位置處所受載荷最大，故變形最大，180°位置處鋼架上部朝下，底部結構剛度比上部結構大，該位置處鋼架整體結構剛度最大，變形最小。最大應力及變形均分布在主梁鋼架上，因主梁承擔了玻璃鋼模具及產(chǎn)品的重量。從分析結果可以看出，模具的最大應力不超過35MPa，最大變形不超多12mm，強度和剛度符合模具制作要求。

2．2翻轉臂受力分析

翻轉臂在PS面模具的前緣側，翻轉臂的軸心連線是距離地面高度相同的水平線，確保翻轉過程的一致性。計算時將翻轉臂簡化為連接器單元，確定翻轉臂與鋼架的連接區(qū)域，在區(qū)域中心創(chuàng)建參考點1，在翻轉臂的軸心連線上找出參考點1的投影點參考點2，創(chuàng)建線連接參考點1和參考點2。翻轉所需要的力矩由參考點2處的力矩得出，經(jīng)分析計算得出最大彎矩為401．4kNm，發(fā)生在葉根第5個翻轉臂處，翻轉臂要求最大彎矩小于420kNm，結果滿足要求。

3結論

根據(jù)已確定的葉片氣動外形，給出了大型風電葉片模具設計的方法，針對性的介紹了模具型面、法蘭、鋼架、翻轉臂關鍵部件設計，確保整體裝配無干涉。接著對模具鋼架受力分析，分析結果表明鋼架在翻轉過程中最大應力30．6MPa，小于需用應力246MPa，最大變形10．7mm，小于模具鋼架設計要求20mm，鋼架的剛度和強度均滿足要求。對翻轉臂的力矩進行分析，結果表明最大彎矩401．4kNm，發(fā)生在葉根第5個翻轉臂處，小于420kNm，滿足模具制造要求，為模具制造提供可靠性保證。

作者:解慧 鄧航 杜雷 林能發(fā) 單位:株洲時代新材料科技股份有限公司