大型風(fēng)電葉片模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)技術(shù)，具體包括模具的型面、法蘭、鋼架、翻轉(zhuǎn)臂等設(shè)計(jì)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(duì)模具鋼架在各種翻轉(zhuǎn)工況下的受力變形情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明模具設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度要求，達(dá)到了模具制造要求，分析計(jì)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(jì)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(shì)日益緊張，新能源作為一種清潔無污染，有益于環(huán)境保護(hù)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(jī)的發(fā)展和南方低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的開發(fā)，大型超長葉片的技術(shù)研究愈來愈重要。同時(shí)，相應(yīng)大型超長葉片的大型模具的設(shè)計(jì)和開發(fā)也為高精度、高質(zhì)量的葉片成型提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。許蕾［1］等利用UG軟件的建模及分析能力，對(duì)葉片模型進(jìn)行了法蘭設(shè)計(jì)和分段鋼架設(shè)計(jì)，為風(fēng)機(jī)葉片模具分段設(shè)計(jì)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(jì)制作工藝，為各類型號(hào)的風(fēng)電葉片模具設(shè)計(jì)制作提供了重要實(shí)踐參考。李淼［3］等利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)鋼架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)葉片模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)具有良好氣動(dòng)外形的葉片，可以提高機(jī)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(jì)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(jì)出發(fā)，利用三維軟件強(qiáng)大的建模功能，對(duì)葉片模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用有限元分析軟件Abaqus對(duì)葉片模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，為葉片模具制作提供可靠依據(jù)。

1葉片模具設(shè)計(jì)

1．1模具型面設(shè)計(jì)

葉片的氣動(dòng)外形確定后即可對(duì)葉片模具進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jì)時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行分模，該步驟在葉片姿態(tài)下進(jìn)行，分模線確保葉片脫模時(shí)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(duì)模型進(jìn)行對(duì)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(shí)PS面模具和SS面模具葉片最低點(diǎn)需不小于500mm。模具姿態(tài)調(diào)整結(jié)束后，進(jìn)行法蘭設(shè)計(jì)。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(jì)

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(diǎn)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(jì)一個(gè)，型面支撐板上有限位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整玻璃鋼模具的形狀。框架主體采用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(dòng)的腳輪，減少模具翻轉(zhuǎn)過程中的摩擦變形。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)1．3翻轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)模具鋼架設(shè)計(jì)后，根據(jù)模具長度、載荷進(jìn)行翻轉(zhuǎn)臂規(guī)格和數(shù)量設(shè)計(jì)，載荷包括模具重量、產(chǎn)品重量、走臺(tái)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(duì)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(xì)化的實(shí)體單元進(jìn)行求解，可以大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間，且保證了計(jì)算精度，模型的網(wǎng)格精度為5mm，單元類型為B32。計(jì)算過程中將玻璃鋼模具、葉片、走臺(tái)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(shí)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(duì)PS面模具的翻轉(zhuǎn)過程進(jìn)行受力分析，計(jì)算時(shí)選取長度87m的模具鋼架，取翻轉(zhuǎn)過程中0°、45°、90°、135°、180°5個(gè)工況進(jìn)行靜力分析，計(jì)算各個(gè)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?yàn)殇摷苤饕苤亓d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??；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(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(qiáng)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(jì)算時(shí)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(diǎn)1，在翻轉(zhuǎn)臂的軸心連線上找出參考點(diǎn)1的投影點(diǎn)參考點(diǎn)2，創(chuàng)建線連接參考點(diǎn)1和參考點(diǎn)2。翻轉(zhuǎn)所需要的力矩由參考點(diǎn)2處的力矩得出，經(jīng)分析計(jì)算得出最大彎矩為401．4kNm，發(fā)生在葉根第5個(gè)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(dòng)外形，給出了大型風(fēng)電葉片模具設(shè)計(jì)的方法，針對(duì)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(jì)，確保整體裝配無干涉。接著對(duì)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(jì)要求20mm，鋼架的剛度和強(qiáng)度均滿足要求。對(duì)翻轉(zhuǎn)臂的力矩進(jìn)行分析，結(jié)果表明最大彎矩401．4kNm，發(fā)生在葉根第5個(gè)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(shí)代新材料科技股份有限公司