倪國(guó)康，1989 年畢業(yè)于上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)械系專業(yè)(本科)，機(jī)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(fēng)力葉片系列的開(kāi)發(fā)、模具、工裝等機(jī)械設(shè)計(jì)及試驗(yàn)等工作，先后榮獲2007年全國(guó)建材行業(yè)技術(shù)革新一等獎(jiǎng)、2009 年 全國(guó)建材行業(yè)技術(shù)革新二等獎(jiǎng)、2007 年中國(guó)建筑材料科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)等。

摘要：由于風(fēng)電大型化的快速發(fā)展，使原有的葉片實(shí)驗(yàn)臺(tái)無(wú)法安裝超越實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面和高度的大型葉片。在采取實(shí)驗(yàn)臺(tái)上加裝能連接葉片的實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端工裝，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行非線性接觸分析，校核葉片實(shí)驗(yàn)臺(tái)及實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端工裝的強(qiáng)度和剛度，使其成為設(shè)計(jì)能力達(dá)5MW 以上的大型葉片實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端工裝設(shè)計(jì)不僅提升了實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行大型葉片測(cè)試的能力，同時(shí)還解決了葉片測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)葉根固定處變形松動(dòng)等問(wèn)題，提供了一種能提高葉片測(cè)試準(zhǔn)確性和適合大多數(shù)型號(hào)葉片試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端工裝結(jié)構(gòu)，提高了實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用率。

1. 引言

在節(jié)能降耗，大力提倡低碳經(jīng)濟(jì)的大趨勢(shì)下，綠色能源之一的風(fēng)力發(fā)電成為國(guó)家戰(zhàn)略能源長(zhǎng)期發(fā)展的重要方向。隨著風(fēng)能利用需求的增長(zhǎng)及風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組日益大型化，對(duì)其安全性和經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。葉片是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵核心部件之一，直接影響著整個(gè)機(jī)組的性能和成本，而葉片的開(kāi)發(fā)和制造離不開(kāi)對(duì)葉片性能的測(cè)試和研究。因此，葉片實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)風(fēng)電葉片事業(yè)的發(fā)展有著不可或缺的積極作用。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片通常采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，與金屬材料不同，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和材料的成型通常同時(shí)完成，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(qiáng)度要求。幾乎所有的國(guó)內(nèi)外葉片制造商和認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)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(dòng)情況下都要求進(jìn)行全尺寸葉片試驗(yàn)，以驗(yàn)證葉片強(qiáng)度。

另外，全尺寸試驗(yàn)還可以為葉片設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)提供重要依據(jù)。建設(shè)大型葉片實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是進(jìn)行葉片基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)。由于歷史原因，我國(guó)風(fēng)能技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究都還落后，導(dǎo)致我國(guó)葉片產(chǎn)業(yè)基本依賴于國(guó)外技術(shù)轉(zhuǎn)讓和技術(shù)支持這一現(xiàn)狀。如何迅速消化吸收引進(jìn)技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行再創(chuàng)新，培育葉片的自主設(shè)計(jì)能力和自主測(cè)試能力，成為擺在我國(guó)葉片領(lǐng)域科技人員面前的難題。相對(duì)而言，大型、全面、高水平的葉片實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是開(kāi)發(fā)研究的必備項(xiàng)目，只有葉片基礎(chǔ)研究水平上去了，才能為產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域提供更有力、更持續(xù)的支撐。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可為風(fēng)電葉片行業(yè)的測(cè)試、檢測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證提供保證，為我國(guó)風(fēng)電葉片的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、及修訂相關(guān)風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，所以建設(shè)大型葉片實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是關(guān)系風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)問(wèn)題。

2. 實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端工裝設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)3MW 葉片已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，5MW 葉片的產(chǎn)業(yè)化工作也已積極進(jìn)行中。從國(guó)內(nèi)外的葉片實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)狀來(lái)看，大型葉片實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)芰Χ寄軡M足5MW葉片的試驗(yàn)要求，BLEAST 更是能夠滿足100m 葉片的測(cè)試。

上海玻璃鋼研究院有限公司的葉片實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端設(shè)計(jì)能力能滿足3MW 葉片的測(cè)試。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的鋼筋混凝土地基是按5MW 受力要求標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建造的，符合5MW試驗(yàn)所承受的載荷標(biāo)準(zhǔn)，具備大型葉片結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)芰Φ幕A(chǔ)，只是按5MW 葉片試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端高度和寬度，故采取加裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端工裝的手段來(lái)滿足試驗(yàn)要求。

如圖1(a) 所示為實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端工裝設(shè)計(jì)示意圖，以5MW 為例，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端，臺(tái)面端四邊共80 個(gè)長(zhǎng)螺桿橫穿實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行緊固，用M36-10.9 級(jí)螺栓把法蘭內(nèi)圈固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面鋼板(鋼板設(shè)有一圈螺孔)上，以使面板、法蘭與實(shí)驗(yàn)臺(tái)固定為一個(gè)整體。5MW 試驗(yàn)葉片連接到法蘭外圈上，從而達(dá)到葉片結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的目的。不過(guò)需要在實(shí)驗(yàn)臺(tái)前面挖土形成向下的斜坡，以便有足夠的高度和空間，對(duì)葉片進(jìn)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(chǎng)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(duì)5MW 實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端工裝設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算螺桿和法蘭內(nèi)的應(yīng)力及變形位移，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用的螺桿和法蘭進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的幾何模型如圖2 所示，將鋼板安裝在鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端，并由四邊共80 個(gè)螺桿進(jìn)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(jiàn)圖1(b) 法蘭示意圖。幾何模型建立完成后，定義實(shí)驗(yàn)臺(tái)各個(gè)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(shí)驗(yàn)臺(tái)各個(gè)部件之間相互接觸，而且每個(gè)螺桿上施加了預(yù)緊力，因此實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用有預(yù)應(yīng)力功能的非線性接觸分析。首先對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)有限元模型進(jìn)行處理，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)各個(gè)部件：鋼筋混凝土臺(tái)、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(shí)別接觸對(duì)及接觸行為的類型，同時(shí)對(duì)每個(gè)螺桿單元定義預(yù)應(yīng)力功能。對(duì)于5MW 實(shí)驗(yàn)臺(tái)，每個(gè)螺桿的預(yù)應(yīng)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(gè)螺桿單元上設(shè)置30 噸的預(yù)應(yīng)力，在環(huán)形法蘭外側(cè)施加20,000kNm的外力矩，實(shí)驗(yàn)臺(tái)鋼筋混凝土基底上施加全約束固定，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)的有限元計(jì)算，求解螺桿和法蘭內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變及變形位移，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用的螺桿及法蘭進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.2.1 螺桿應(yīng)力。如圖4 所示，螺桿兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值為318.7MPa ， 最小值為189MPa。

螺桿中段應(yīng)力比較均勻，大小在230-270MPa 范圍內(nèi)變化。由此可見(jiàn)，在最大荷載情況下，實(shí)驗(yàn)臺(tái)螺桿內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)小于螺桿屈服強(qiáng)度762MPa，滿足強(qiáng)度要求。

3.2.2 法蘭應(yīng)力及變形位移。圖5(a) 為倒角半徑為50mm 的法蘭正應(yīng)力圖，在法蘭受拉側(cè)、距中心1400mm 的倒角處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為296MPa，超出了法蘭的極限強(qiáng)度210MPa。為滿足設(shè)計(jì)要求、減小應(yīng)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(yīng)力如圖5(b) 所示，最大應(yīng)力為189MPa，小于法蘭的極限強(qiáng)度210MPa，滿足實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)法蘭強(qiáng)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(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)法蘭結(jié)構(gòu)的變形要求。

4. 結(jié)論

將3MW-50m 葉片實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端加裝鋼板和法蘭，使其成為設(shè)計(jì)能力達(dá)5MW-70m 的大型葉片實(shí)驗(yàn)臺(tái)。對(duì)5MW 實(shí)驗(yàn)臺(tái)方案建立有限元模型并進(jìn)行非線性接觸分析，計(jì)算在最大荷載情況下實(shí)驗(yàn)臺(tái)的螺桿應(yīng)力及法蘭應(yīng)力和變形，校核葉片實(shí)驗(yàn)臺(tái)的強(qiáng)度和剛度。計(jì)算結(jié)果表明，在最大荷載情況下實(shí)驗(yàn)臺(tái)方案的螺桿應(yīng)力遠(yuǎn)小于螺桿的極限應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)對(duì)方案中法蘭的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，將法蘭倒角半徑增大后，法蘭應(yīng)力小于其極限強(qiáng)度應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求，而法蘭基本沒(méi)發(fā)生變形，符合試驗(yàn)臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)變形的要求。

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面端工裝設(shè)計(jì)不僅提高了實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行大型葉片測(cè)試的能力，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和建設(shè)費(fèi)用，還解決了葉片測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)葉根固定處變形松動(dòng)等問(wèn)題，提供了一種能提高葉片測(cè)試準(zhǔn)確性和適合大多數(shù)型號(hào)的葉片試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)工裝結(jié)構(gòu)。同時(shí)開(kāi)拓了葉片相關(guān)技術(shù)人員專業(yè)技術(shù)能力和技術(shù)廣度能力，對(duì)于未來(lái)超大型葉片試驗(yàn)，有了進(jìn)一步的理論和實(shí)踐運(yùn)用基礎(chǔ)， 為葉片設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)提供重要依據(jù)。