风机叶片根端连接的有限元分析

　　本文基于ANSYS软件建立风机叶片根端连接部分的有限元模型，并对叶根玻璃钢部分及T型连接螺栓进行应力分析和强度校核，为叶片根端连接的设计、优化及材料的选用提供可靠的依据和指导。
　　关键词：风机叶片  玻璃钢  叶根连接  有限元法
　　1  引 言
　　随着世界能源危机的日益严重，以及公众对于改善生态环境要求的呼声不断高涨，风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到各国政府的重视。目前，全世界约有50多个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规，对风电发展起到了至关重要的作用，风力发电产业正逐步发展成为初具规模的新兴产业[ 1 , 2 ]。当前，各国正加快对风力发电机组的研究步伐，不断推出新的技术装备。
　　风力发电机叶片（简称风机叶片）是风力发电机组中的关键部件之一，叶片的翼型设计、结构形式，直接影响风力发电装置的性能和功率[ 3 , 4]。其中根端连接是叶片设计中最关键的地方，因为将叶片根端固定到轮毂上，钢轮毂和制造叶片的材料一般为玻璃纤维增强塑料（GFRP），它们之间的相关刚度差有数量级的差别，妨碍载荷的平滑传递。通常采用螺栓进行连接，螺栓可以沿轴向嵌入叶片的材料中或沿半径方向穿过叶片壳体，但这两种情况中叶片根端应力集中都是不可避免的[5]。同时叶片在载荷工况作用下，叶根连接螺栓的强度分析也十分重要。
　　本文采用ANSYS有限元软件对叶片根端连接部分建立有限元分析模型，并对叶根玻璃钢部分及T型连接螺栓进行应力分析和强度校核，从而指导叶片根端连接的设计、优化及材料的选用。
　　2  叶片根端连接模型
　　2.1  叶片结构外形及材料属性
　　目前风电场中采用较多的1.5MW级变速变桨风力机复合材料叶片，其叶片根端连接如图1(a) 所示。叶片根端横截面为圆环形，其外圆直径为1890mm，内圆直径为1710mm，中心圆直径为1800mm，根端长度取800mm。从根端沿着中心圆周线均匀打孔并安装54根T型螺栓接头连接轴承。T型螺栓接头，如图1(b) 所示，由插到叶片壳体纵向孔内的钢螺柱，与保持在横向孔内的柱状螺母进行连接。叶片壳体纵向孔直径为32mm，长度为200mm，叶片壳体横向孔直径为65mm，横向孔轴线距根端为190mm。钢螺柱中间圆杆直径为23.1mm，长度为260mm，两端螺纹直径为30mm，长度为80mm。柱状螺母直径为65mm，长度为110mm。
　　根端玻璃钢的主要成分是三轴布，T型螺栓接头采用42 CrMo钢, 其材料参数如表1所示。