大型風(fēng)電葉片模具結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析

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摘要：從大型超長葉片模具的結(jié)構(gòu)研究入手，提供了葉片模具設(shè)計和分析技術(shù)。先利用三維軟件的建模功能，提供一種大型風(fēng)力發(fā)電葉片模具設(shè)計技術(shù)，具體包括模具的型面、法蘭、鋼架、翻轉(zhuǎn)臂等設(shè)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(shù)，對模具鋼架在各種翻轉(zhuǎn)工況下的受力變形情況進行了分析。結(jié)果表明模具設(shè)計滿足強度和剛度要求，達到了模具制造要求，分析計算結(jié)果為模具制造提供了可靠的前期保證。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電模具設(shè)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(yīng)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(fēng)能資源作為可再生能源中成本較低、技術(shù)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(yīng)中發(fā)揮重要作用。近年來，隨著大功率風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展和南方低風(fēng)速風(fēng)場的開發(fā)，大型超長葉片的技術(shù)研究愈來愈重要。同時，相應(yīng)大型超長葉片的大型模具的設(shè)計和開發(fā)也為高精度、高質(zhì)量的葉片成型提供了堅實的基礎(chǔ)。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(shè)計和分段鋼架設(shè)計，為風(fēng)機葉片模具分段設(shè)計提供了參考。石鵬飛［2］從傳統(tǒng)風(fēng)電葉片出發(fā)，闡述了殼體模具設(shè)計制作工藝，為各類型號的風(fēng)電葉片模具設(shè)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(shè)計，對葉片模具的優(yōu)化設(shè)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(zhuǎn)化效率，獲得更多的風(fēng)能，葉片模具是保證外形的關(guān)鍵方法，模具的設(shè)計與制造是葉片的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文從大型風(fēng)電葉片模具的設(shè)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(shè)計，并利用有限元分析軟件Abaqus對葉片模具進行結(jié)構(gòu)計算，為葉片模具制作提供可靠依據(jù)。

1葉片模具設(shè)計

1．1模具型面設(shè)計

葉片的氣動外形確定后即可對葉片模具進行設(shè)計。葉片組成主要包括迎風(fēng)面殼體（PS面）、背風(fēng)面殼體（SS面）、腹板、梁等。葉片結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。葉片模具設(shè)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(nèi)，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?？p寬度3mm，后緣合?？p寬度2mm。然后調(diào)整PS、SS葉片的前后緣高度差接近于0，接著調(diào)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(diào)整結(jié)束后，進行法蘭設(shè)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(shè)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(nèi)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(shè)計一個，型面支撐板上有限位調(diào)節(jié)機構(gòu)，用于調(diào)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(zhì)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(zhuǎn)，底部有方便滑動的腳輪，減少模具翻轉(zhuǎn)過程中的摩擦變形。調(diào)節(jié)機構(gòu)1．3翻轉(zhuǎn)臂設(shè)計模具鋼架設(shè)計后，根據(jù)模具長度、載荷進行翻轉(zhuǎn)臂規(guī)格和數(shù)量設(shè)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(zhuǎn)臂的位置，翻轉(zhuǎn)臂的翻轉(zhuǎn)軸心需在同一高度的水平線上，各翻轉(zhuǎn)臂的翻轉(zhuǎn)角度差值在1°以內(nèi)。

2模具有限元分析

2．1翻轉(zhuǎn)工況分析

因鋼架主體采用鋼管材質(zhì)，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(zhuǎn)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?qū)嶋H操作過程中只需要翻轉(zhuǎn)PS面，因此只需對PS面模具的翻轉(zhuǎn)過程進行受力分析，計算時選取長度87m的模具鋼架，取翻轉(zhuǎn)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(yīng)力及變形。從圖4和圖5的分析結(jié)果可以得出，翻轉(zhuǎn)過程中90°位置處的鋼架應(yīng)力最大，45°位置處的鋼架應(yīng)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(zhuǎn)過程中在90°位置處所受載荷最大，45°位置處所受載荷最?。?0°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(jié)構(gòu)剛度比上部結(jié)構(gòu)大，該位置處鋼架整體結(jié)構(gòu)剛度最大，變形最小。最大應(yīng)力及變形均分布在主梁鋼架上，因主梁承擔(dān)了玻璃鋼模具及產(chǎn)品的重量。從分析結(jié)果可以看出，模具的最大應(yīng)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(zhuǎn)臂受力分析

翻轉(zhuǎn)臂在PS面模具的前緣側(cè)，翻轉(zhuǎn)臂的軸心連線是距離地面高度相同的水平線，確保翻轉(zhuǎn)過程的一致性。計算時將翻轉(zhuǎn)臂簡化為連接器單元，確定翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)臂處，翻轉(zhuǎn)臂要求最大彎矩小于420kNm，結(jié)果滿足要求。

3結(jié)論

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