案例分享 | MSC Nastran结构分析实现风力涡轮机的叶片轻量化

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本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了韩国航空航天大学机械工程小组在Dr. Dong-Kuk Choi的领导下，对具有织物覆盖的风力涡轮机叶片进行的研究。研究团队通过计算和实验研究，确认了织物覆盖叶片的结构完整性与传统风力涡轮机叶片相似。研究使用了10 kW功率的复合材料风力涡轮机叶片进行设计、分析和测试，以适应大学实验室的制造和测试条件。研究中使用了MSC Nastran软件进行结构分析，仿真结果与实际测试数据的匹配度很高，差异小于10%。此外，研究还涉及了使用变分渐近梁截面分析(VABS)和MSC Nastran进行设计和结构分析，以及使用物理测试设备进行模态测试。研究结果表明，拥有织物覆盖的叶片的准确有限元分析(FEA)模型将有助于可再生能源行业建立更可持续的未来。

本文将介绍功率10kW的具有织物覆盖的风力涡轮机叶片，其研发过程中的结构设计、分析和测试。

图由韩国能源研究所设计的具有空气动力学特性的叶片外形

背景

韩国正在努力建设可持续性发展城市，通过“绿色新政”，大力投资可再生能源行业，包括计划建造世界上最大的海上风力发电厂。如果没有一流的研究设施来应对这些艰巨的工程挑战，那么将无法实现如此大规模的项目。

韩国能源研究所致力于先实现碳中和，其风能研究小组的战略重点是开发风力涡轮机技术，进行性能测试和认证。他们借助在结构、空气动力学设计和分析方面的专业知识，将这项“绿色新政”付诸实践。

挑战

由于发电效率的不断提高，风力涡轮机的尺寸也越来越大，这反而又给建造、运输和安装带来了挑战。如何减轻叶片的重量已成为一个关键问题。

通用电气 (GE) 公司和国家可再生能源实验室 (NREL) 推出了一种织物覆盖的风力涡轮机叶片 [1]，可以减轻叶片的重量和制造成本。在重量平衡方面，这是一项艰巨的工程任务。增加的织物的质量使得设计需要进行修改，来保证屈曲余量，这导致很难减轻叶片的重量。

有很多因素需要考虑，材料、形状、加强筋、翼梁。仿真方法提供了一个合适的开发平台来探索这些方面的设计权衡。

织物覆盖的风力涡轮机 (WT) 叶片的概念结构图

解决方案

由DrDong-KukChoi领导的韩国航空航天大学机械工程小组对织物覆盖的叶片进行了计算和实验研究，确认了叶片的结构完整性与典型的风力涡轮机叶片相似。实验选用了较小的10 kW功率的复合材料风力涡轮机叶片，因为这样的叶片可以在大学实验室中制造和测试。

使用变分渐近梁截面分析(VABS) ，根据横截面来设计叶片。使用 MSC Nastran 在设计载荷下进行结构分析。并且对风力涡轮机在多种条件下进行仿真，包括正常发电、停机、紧急停机和停车的情况。

模态、静力和其他结构分析可以确定主梁可以承受剪切载荷并安全运行。

三维叶片有限元模型

三维叶片模型（左）挠度（右）

Tsai-Wu失效准则指标的结构分析结果

结果

MSC Nastran 特有的优势之一是，仿真结果与实际测试数据的匹配度很高。本研究中实验结果和分析结果之间的差异 < 10%。

韩国航空航天大学

用于测试翼型叶片的物理测试设备

在这项研究中，FEA 结果与带有单轴加速度传感器、冲击锤和 DAQ 系统的模态测试结果进行了比较。在测试台上，单轴加速度传感器将摆动方向和边缘方向的加速度转换为电信号，冲击锤将激励施加到叶片上。DAQ 系统在叶片振动时测量加速度数据。对叶片在多种负载和多种配置下进行了测试，包括沿边缘和摆动方向。MSC Nastran 在摆动和边缘方向与实验的匹配度误差分别为7.37% 和9.45% 。

拥有织物覆盖的叶片的准确 FEA模型将极大地帮助可再生能源行业建立一个更加可持续性的未来。