1、分段叶片连接结构设计
此分段叶片母体为应用在某款机型的叶片，总长约为58 m，分段位置距叶片根部约18 m处。
图 1风电叶片分段区域示意图
图 2分段过渡区域及连接结构示意图
图 3连接区域螺栓示意图
2、结构仿真分析
2.1 有限元建模
叶片结构复杂，本文采用大型有限元软件建立叶片分段结构模型进行有限元建模。有限元模型中包括一般截面段、过渡段、连接段以及高强连接螺栓。一般截面段采用原叶片的截面设计，连接段是分段叶片通过高强螺栓连接的区域，过渡段是介于截面段与连接段之间，防止产生应力集中。因此，不同位置采用分段的网格划分，将叶片割成若干段，然后采用六面体实体对叶片进行网格划分，在形状十分复杂的位置，采用四面体网格划分过渡，叶片的几何模型与有限元网格模型如图所示。
图 4分段叶片几何模型
图 5分段叶片有限元模型
2.2边界条件
图 6分段叶片边界条件
2.3 荷载工况
3、仿真计算结果
分析 4 种工况下分段式叶片的应力水平。由于玻璃钢是脆性材料，所以采用最大应力、应变强度准则判断材料是否失效，螺栓是弹塑性材料，采用Mises 准则来判断是否失效。
3.1最大挥舞mx-max计算结果
图 7~图 11给出了模型在最大挥舞弯矩工况下的位移、应力与应变云图。螺栓 Mises 应力云图如图 12所示。
图 7位移云图
图 8过渡段应力云图
图 9过渡段应变云图
图 10连接段应力云图
图 11连接段应变云图
图 12连接螺栓应力云图
3.2最小挥舞mx-min计算结果
图 13~图 17给出了模型在最大挥舞弯矩工况下的位移、应力与应变云图。螺栓 Mises 应力云图如图 18所示。
图 13位移云图
图 14过渡段应力云图
图 15过渡段应变云图
图 16连接段应力云图
图 17连接段应变云图
图 18连接螺栓应力云图
3.3最大摆振my-max计算结果
图 19~图 23给出了模型在最大挥舞弯矩工况下的位移、应力与应变云图。螺栓 Mises 应力云图如图 24所示。
图 19位移云图
图 20过渡段应力云图
图 21过渡段应变云图
图 22连接段应力云图
图 23连接段应变云图
图 24连接螺栓应力云图
3.4最小摆振my-min计算结果
图 25~图 29给出了模型在最大挥舞弯矩工况下的位移、应力与应变云图。螺栓 Mises 应力云图如图 30所示。
图 25位移云图
图 26过渡段应力云图
图 27过渡段应变云图
图 28连接段应力云图
图 29连接段应变云图
图 30连接螺栓应力云图
3.5小结
根据以上计算结果可以得出：叶片的位移、应力与应变汇总如表所示。
表1 各工况计算结果汇总表
mx-max |
mx-mix |
my-max |
my-mix |
|
变形（mm） |
7.0 |
4.1 |
3.1 |
0.8 |
过渡段应力（MPa） |
28 |
18 |
16 |
5.7 |
过渡段应变 |
786 |
513 |
455 |
159 |
连接段应力（MPa） |
37 |
23 |
19 |
8 |
连接段应变 |
1248 |
761 |
651 |
274 |
螺栓应力（MPa） |
272 |
166 |
178 |
82 |
4、结论
分段叶片螺栓承担了模型的大部分荷载，最大应力出现在螺栓的螺杆处，但仍没有超过螺栓的屈服强度。叶片本身应力水平较低，没有超过材料的拉伸强度和压缩强度。叶片满足强度设计要求。
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