1、引言

　　風力發電機的葉片（下文簡稱葉片）是風電設 備將風能轉化為機械能的關鍵部件，其制造成本約占風機總成本的15%——30%。大型風力發電機的葉片基本由復合材料制成，葉片設計與制造是風電機組的技術關鍵。目前，國內多家葉片生產企業都在自主開發新型號葉片，設計中所用的工具也不盡相同。FOCUS軟件是用于風電機組及組件（如葉片）快速設計分析的軟件工具，在國際風電設備工業有超過10年的應用史。相對于使用三維建模軟件和有限元計算軟件結合的設計路線，使用FOCUS軟件更為便捷。

　　本文通過使用FOCUS軟件對某型號葉片直接完成建模，對其進行了模態和結構靜力學分析，并與實際葉片的模態和靜力試驗結果進行了對比分析。

　　2 、模型建立

　　FOCUS擁有獨特的對葉片進行詳細設計的 交互式建模工具。在對葉片進行逐步定義的同時，三維的交互式顯像會對設計變化給出直接反饋。使用FOCUS軟件對本文所研究的葉片進行建模，第一步是通過一系列坐標點定義翼型輪廓線，第二步是在三維空間中設置翼型位置、放大比例、旋轉角度、預彎等來建立氣動外形，第三步是定義材料，第四步是定義鋪層邊界，第五步是根據鋪層邊界和設計厚度定義鋪層，從而完成了風機葉片的建模。 該葉片是由壓力面殼體、吸力面殼體和前后緣兩側抗剪腹板結構組成，其中殼體由蒙皮、大梁、大梁兩側的芯材、后緣增強層和葉根增強層組成，所涉及的主要增強材料包括單軸向布、雙軸向布、三軸向布、Balsa木、PVC泡沫。

　　3、 重量分析

　　對該模型提取截面屬性，并通過后處理選擇 葉片重量，得到葉片計算重量分布，見圖1。

　　從圖1可知，該葉片重量在0——1m處的斜率最大，表明在葉根處的單位重量最大，這是由于葉根段需要達到一定的鋪層厚度滿足打孔需要。其計算重量為7683kg，實際樣片的稱量重量為7675kg，偏差0.1%，二者非常接近，表明模型與 實際一致性好。

　　4 、模態分析

　　對該模型進行模態計算，并分別提取了一階 揮舞、二階揮舞、一階擺振和一階扭轉的振型，如圖2——5所示。模型計算頻率與樣片試驗頻率的對比見表1。 從圖2——5和表1可知，樣片試驗的頻率均小于計算頻率，造成偏差的主要原因是樣片整體剛度比設計剛度偏小，但偏差小于5%，符合 GL2010的相關測試要求。

      5、 靜力分析

　　5.1位移分析

　　在葉片靜力試驗過程中，載荷是通過位于設 定截面的加載夾具，從0%，40%，60%，80%到 100%逐步加載的。對施加100%載荷時，計算位移和試驗位移的對比結果見圖6。圖6中為便于比 較，不考慮位移的方向性，位移數據均取正值。

      從圖6可知，沿葉片長度方向共設立了7處位移測試點，主要集中在了葉片的中后部。沿葉片長度方向，葉片位移逐漸增大，且越靠近葉尖，位移增大速度越快，這種趨勢在最大揮舞方向和最 小揮舞方向更為顯著。4個測試方向中，最大揮舞方向比最小揮舞方向的位移大，最大揮舞方向的葉尖位移最大，試驗值為10441mm，計算值為 10456mm，偏差很小僅為-0.015%，說明該模型 能真實地反映葉片受載時的葉尖撓度，該樣片能夠滿足整機設計的凈空需要。4個測試方向中，試驗位移和計算位移高度擬合，最小擺振方向的偏差相對大一些，最大偏差僅為5.08%，小于7%，滿足GL2010的相關測試要求。

　　5.2 應變分析

　　目視檢查不能監測到的葉片狀態變化，通常可用應變計來監測。對置于葉片壓力面大梁和吸力面大梁位置處的監測點，分別在最大揮舞方向和最小揮舞方向施加100%載荷的應變進行統計，見表2。對置于葉片前緣、后緣位置處的監測點，分別在最大擺振方向和最小擺振方向施加 100%載荷的應變進行統計，見表3。

      從表2可知，在承受最大揮舞方向載荷時，葉片壓力面大梁應變為正值，吸力面大梁應變為負值，在L20.0m處的應變最大。在承受最小揮舞方向載荷時，葉片壓力面大梁應變為負值，吸力面大梁應變為正值，在L20.0m處的應變最大。在吸力面大梁L23.5m處的計算應變和試驗應變偏差較大，結合該試驗應變在不同載荷步下的變化情況，認為該應變片失效，應變數據無效。除此之外，計算應變與試驗應變最大偏差為-7.04%，小于10%，符合GL2010規范要求。

　　從表3可知，在承受最大擺振方向載荷時，葉片前緣應變為負值，葉片后緣應變為正值，同側不同截面的應變變化不大，在L16.0m處的應變最大。在承受最小揮舞方向載荷時，葉片前緣應變為正值，葉片后緣應變為負值，同側不同截面的應變變化不大，前緣在L16.0m處的應變最大，后緣在L23.5m處的應變最大。在后緣L9.0m處的計算應變和試驗應變偏差較大，結合該試驗應變在不同載荷步下的變化情況，認為該應變片失效，應變數據無效。除此之外，計算應變與試驗應變最大偏差為-7.61%，小于10%，符合GL2010規范要求。

　　6 、結論

　　使用FOCUS軟件進行風電葉片模型搭建， 計算葉片質量，與樣片實測重量相比，偏差僅 0.1%，表明模型搭建合理。 計算頻率和試驗頻率的偏差均小于5%，符合GL2010規范要求。 計算位移和試驗位移的偏差均小于7%，計算應變和試驗應變的偏差除異常點外均小于 10%，符合GL2010規范要求。