大型叶片试验台工装设计

李东海，倪国康，王小涌
(上海玻璃钢研究院有限公司，上海201404)

摘　要　在3MW-50m叶片试验台基础上加装工装设计，并对设计方案进行非线性接触分析，校核叶片试验台的强度和刚度，使其成为设计能力达5MW-70m的大型叶片试验台。该试验台工装设计不仅提高了试验台进行大型叶片测试的能力，还解决了叶片测试过程中出现叶根固定处变形松动等问题，提供了一种能提高叶片测试准确性和适合大多数型号的叶片试验的试验台工装结构。
关键词：风电叶片；试验平台；工装设计

1　引  言

　　在节能降耗，大力提倡低碳经济的大趋势下，绿色能源之一的风力发电成为战略能源长期发展的重要方向。随着风能利用需求的增长及风电技术的发展，风力发电机组日益大型化，对其安全性和经济性提出了更高的要求。风轮叶片作为风力发电机组重要的部件之一，在使用过程中发生失效将会带来巨大的经济损失。因此，风轮叶片在设计寿命期内能否安全、可靠运行非常重要。风力发电机组叶片通常采用玻璃纤维增强复合材料，与金属材料不同，复合材料结构和材料的成型通常同时完成，复合材料结构的强度受原材料性能、材料组成、加工工艺等诸多不确定因素的影响，仅仅依靠基于材料性能数据的理论分析很难保证叶片满足结构强度要求。几乎所有的国内外叶片制造商和认证机构对于新研制的叶片以及在叶片材料、结构、工艺有大的改动情况下都要求进行全尺寸叶片试验，以验证叶片强度。因此，叶片的全尺寸测试是我国叶片产业无法回避的问题，建设大型叶片试验平台十分紧迫。
　　另外，全尺寸试验还可以为叶片设计、使用、维护提供重要依据。建设大型叶片试验平台是进行叶片基础研究的基础。由于历史原因，我国风能技术的基础研究和应用研究都还落后，导致我国叶片产业基本依赖于国外技术转让和技术支持这一现状。如何迅速消化吸收引进技术，并对其进行再创新，培育叶片的自主设计能力和自主测试能力，成为摆在我国叶片领域科技人员面前的难题。相对而言，大型、全面、高水平的叶片试验平台是开发研究的必备项目，只有叶片基础研究水平上去了，才能为产业领域提供更有力、更持续的支撑嘲。所以，建立大型叶片试验机构是关系风电产业发展的长远问题。

2　试验台工装设计

　　目前，我国3MW叶片已实现产业化，5MW叶片的产业化工作也已积极进行中。从国内外的叶片试验台现状来看，大型叶片试验平台的设计试验能力都能满足5MW-70m叶片的试验要求，BLEAST更是能够满足100m叶片的测试。
　　上海玻璃钢研究院有限公司的叶片试验台设计能力能满足3MW-50m长度叶片的测试。但试验台的钢筋混凝土地基是按5MW受力要求标准设计建造的，符合5MW试验所承受的载荷标准，具备大型叶片结构试验能力的基础，只是按5MW-70m长叶片试验标准缺少相应的试验台高度、宽度及安装工装。
　　如图1(a)所示为试验台工装设计示意图，设计连接5MW叶片的面板和承力钢结构法兰。铁板安装在钢筋混凝土试验台的侧面，并由四边共80个螺杆进行紧固，用M36-10.9级螺栓把法兰内圈固定在试验台原有的一圈螺孔上，以使面板、法兰与原有的试验台固定为一个整体，然后试验叶片就可以连接到法兰外圈上，从而达到叶片结构试验的目的。不过需要在试验台前面挖土形成向下的斜坡，以便有足够的空间，对叶片进行翻转和加载。

3　有限元分析及校核

　　ANSYS软件是融结构、流体、电磁、声热以及耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。这里采用ANSYS软件对5MW试验台工装设计进行数值分析，计算螺杆和法兰内的应力及变形位移，从而对试验台所用的螺杆和法兰进行强度校核。
3.1　试验台模型
　　试验台的几何模型如图2所示，将铁板安装在钢筋混凝土试验台侧面，并由四边共80个螺杆进行紧固。在铁板上安装环形法兰，用于固定叶片根端。法兰具体尺寸见图1(b)法兰示意图。几何模型建立完成后，定义试验台各个部件的材料性能和单元类型，划分网格形成有限元分析模型(图3)。

3.2　有限元分析
　　试验台各个部件之问相互接触而且每个螺杆上施加了预紧力，因此试验台采用有预应力功能的非线性接触分析。先对试验台有限元模型进行处理，在试验台各个部件：钢筋混凝土台、铁板、法兰以及螺杆的相互接触面上增加一层接触单元，并定义识别接触对及接触行为的类型，同时对每个螺杆单元定义预应力功能。对于5MW试验台，每个螺杆的预应力为30吨，与法兰连接的叶片根端产生的大弯矩值为20,000kNm。因此在每个螺杆单元上设置30吨的预应力，在环形法兰外侧施加20,000kNm的外力矩，试验台钢筋混凝土基底上施加全约束固定，进行试验台的有限元计算，求解螺杆和法兰内的应力应变及变形位
移，从而对试验台所用的螺杆及法兰进行强度校核。
3.2.1　螺杆应力
　　如图4所示，螺杆两端出现应力集中现象，大值为318.7MPa，小值为189MPa。螺杆中段应力比较均匀，大小在230-270MPa范围内变化。由此可见，在大荷载情况下，试验台螺杆内应力远小于螺杆屈服强度762MPa，满足强度要求。

3.2.2　法兰应力及变形位移
　　图5(a)为倒角半径为50mm的法兰正应力图，在法兰受拉侧、距中心1400mm的倒角处出现了应力集中，大应力为296MPa，超出了法兰的极限强度210MPa。为满足设计要求、减小应力集中，现将倒角半径增大，倒角半径由50mm修改为100mm。倒角半径增大后的法兰应力如图5(b)所示，大应力为189MPa，小于法兰的极限强度210MPa，满足试验台对法兰强度的要求。

　　图6为增大倒角半径后法兰的变形图，在法兰外边缘受拉侧出现大变形位移为1.16mm。也满足试验台对法兰结构的变形要求。

4　结论

　　将3MW-50m叶片试验台加装铁板和法兰，使其成为设计能力达5MW-70m的大型叶片试验台。对5MW试验台方案建立有限元模型并进行非线性接触分析，计算在大荷载情况下试验台的螺杆应力及法兰应力和变形，校核叶片试验台的疆度和刚度。计算结果表明，在大荷载情况下试验台方案的螺杆应力远小于螺杆的极限应力，满足强度要求。同时对方案中法兰的设计进行修改，将法兰倒角半径增大后，法兰应力小于其极限强度应力，满足强度要求，而法兰基本没发生变形，符合试验台对结构变形的要求。
　　该试验台工装设计不仅提高了试验台进行大型叶片测试的能力，节约了试验场地和建设费用，还解决了叶片测试过程中出现叶根固定处变形松动等问题，提供了一种能提高叶片测试准确性和适合大多数型号的叶片试验的试验台工装结构。同时开拓了叶片相关技术人员专业技术能力和技术广度能力，对于未来超大型叶片试验，有了进一步的理论和实践运用基础，为叶片设计、使用、维护提供重要依据。