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摘 要：
兆瓦级风力发电机导流罩是风力发电机组重要的大型壳体结构，随着复合材料技术的发展，由复合材料制备的导流罩的结构设计和强度校核受到广泛关注。根据 GL2010 规范，针对某 2.5 MW 风力发电机导流罩的应用要求，设计出一种安全可靠的导流罩结构，并综合考虑风载荷、雪载荷和活动载荷的影响，利用 ANSYS 软件对导流罩进行结构强度分析和失效校核，得到各种工况条件下的最大变形和最大应变。仿真结果表明了所设计的导流罩的安全性，为提高导流罩安全性、降低研发成本提供了新的思路和方法。
关键词：导流罩；复合材料；有限元分析；强度分析
风能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，因其具备无污染、蕴量巨大、分布广泛的特点而被大力推广利用[1-2]。风电发电机是将风能转为电能的核心装置，随着复合材料技术的发展，新型复合材料制备的风力发电机部件受到了工程应用的广泛关注。导流罩作为风力发电机的重要组成部分，是安装在风机轮毂外部起到外保护作用的一种薄壳结构。在迎风状态下，它将吹向风轮中心的气流依照其流线型外形均匀分流并导向风机叶片部分，从而提高风能的利用率，它对风机的稳定性、发电效率以及发电机叶片的空气动力学性能都有着十分重要的影响[3]。导流罩在正常使用中主要承受静载荷以及风载荷、雪载荷和活动载荷等外部载荷[4-5]，对导流罩进行结构设计，并对其进行载荷计算分析和失效分析至关重要[3-4,6-7]。
基于上述研究背景，本文以某 2.5 MW 级风力发电机为例，设计出一种轻量化复合材料的导流罩结构，并运用 ANSYS 中专业的复合材料仿真模块ACP，模拟不同工况条件，对导流罩进行静力学分析和失效分析。
1 复合材料有限元分析理论
工程中常用的复合材料是由不同类型的单层复合材料板叠层并用树脂黏接制成的层合板，因此其力学特性具有各向异性[8]。在单层复合材料中，纤维方向是单向平行的，如图 1(a)所示，且其单层厚度远小于面内尺寸，应力在复合材料厚度方向可近似看作均匀，因此单层板处于平面应力状态，其内部任意不为零的点有 3 个应力分量，如图 1(b)所示[7]。
当单层板受到外力作用时，单层板上内应力如图 2 所示[3]。
复合材料层合板可以视为均匀的各向异性弹性体。在发生小的变形时，根据广义胡克定律可得各向异性弹性体的应力—应变本构关系方程，如公式(1)所示。
式中：[Cij]为刚度矩阵；i、j=1，2，…，6。
假设单层板主轴位于 xy 平面内，并受到轴向内力，则式(1)可化为：
式(2)是为复合材料应力(应变)与强度的数学函数。本研究采用最大失效应变理论与 Tsai-Wu 理论组合的判据方法对导流罩进行静力学分析和失效校核。根据各向异性材料最大应变理论，当单向层合板正轴向的任何一个应变分量达到极限应变时，材料即被认为发生破坏。Tsai-Wu 准则提出了张量多项式失效判据，同时考虑了应力和强度的影响，是目前复合材料应用最广泛的失效判据之一[9]。Tsai-Wu 失效准则为：
式中：σi、σj 为应力向量；Fi、Fij 为强度张量系数。
将复合材料面内主方向拉伸强度记为 Xt 和 Yt，压缩强度记为 Xc 和 Yc，剪切强度记为 S，则主应力强度张量系数与主应力交互作用强度张量系数计算见式(4)[10]：
根据 Tsai-Wu 准则，材料不发生破坏须满足式(5)要求：
2 导流罩有限元模型建立
2.1 导流罩有限元模型
本研究中导流罩由 3 个呈 120°对称分布的 1/3罩体、侧面叶片罩和顶部罩门组成。利用 ANSYS软件，依据导流罩实际尺寸，采用 2D 单元建立有限元模型对导流罩整体进行分析，所有材料优选4 节点 6 自由度的 SHELL181 单元模型。ANSYS 中SHELL181 是一种具有线性位移特性的有限应变壳单元，每个单元由 4 个 6 自由度节点定义，适用于复合材料壳体结构分析，且具有良好的收敛性，可以避免复杂实体建模容易出现的应力集中、网格奇异等问题。有限元模型共划分 4 517 个单元，其模型及网格模型如图 3 所示。模型中不同部分之间用偶合点连接，偶合点之间的距离小于 300 mm。
2.2 材料性能
层合复合材料的性能与其铺层材料、层数、厚度 和 方 向 等 因 素 相 关 。 ANSYS 中 的 ACP 模 块 以Workbench 仿真平台提供了完善的复合材料产品分析功能，可以实现复合材料从产品设计到最终产品的信息展示。本文利用 ANSYS 中的 ACP 模块对导流罩进行铺层设计。依据导流罩最大应变不大于0.35%的指标要求以及各类工况条件，设计导流罩结构具体为：1 层、450 g 短切毡—5 层、800 g 方格布—1 层、450 g 短切毡，各铺层材料性能参数如表1 所示。
3 载荷计算
风力发电机导流罩随着工作环境的不同，其所承受的载荷比较复杂多变。根据 GL 2010 规范，通常情况下作用在导流罩上的外部载荷主要有风载荷、雪载荷和活动载荷。本研究中涉及到的外部载荷计算如表(2)所示。
导流罩中罩体与罩头部件用机械连接的方法拼合而成。在导流罩内部前后端分别有一个环形连接架通过螺栓与轮毂连接，每个连接架上有连接杆通过螺栓与导流罩相连，从而将导流罩固定。因此需要限制定位螺栓孔位置处节点的 3 个平动自由度和3 个转动自由度。
3.1 风载荷
在 GL 2010 规范中，忽略了阵风的影响，导流罩各部位的实际风载计算公式为：
式中：ρ 为空气密度，取 1.25 kg/m3；ν 为风速，本研究中工况为1a、1b，风速为70 m/s；Cw为载荷分布系数，表示导流罩每个表面受垂直气流的情况，导流罩风载荷的计算中需要考虑不同面板相对于风载的位置的不同选取不同的载荷分布系数，如图 4 所示；γf为风载局部安全系数，侧面受风γf取1.1，迎面受风γf取1.35。根据风吹向导流罩的方向不同，分迎风受力和侧风受力两种情况进行讨论，如图5所示。
迎风受力即风垂直导流罩正面，此工况条件下导流罩顶部的风压为：
侧风受力即风垂直导流罩侧面，此工况条件下导流罩侧面压力为：
顶部的压力：
背侧面的压力：
注：出于安全因素考虑，施加载荷选择计算值的小数全进位(进一位)，以保障结构的足够安全。
3.2 雪载荷
雪载荷是指雪垂直作用于导流罩上的载荷，本研究中雪垂直导流罩侧面，如图 6 所示。本研究中雪载荷工况为 2，加载力为 2 kN/m2。局部加载安全系数 γf 取 1.0，重力安全系数 γg 取 1.05。经计算，雪载荷产生的压力为 2 100 N/m2。
3.3 活动载荷
活动载荷是指操作人员在导流罩顶部或内部行走时的载荷，通常通过机械力加载模拟此工况条件，如图 7 所示。本研究中活动载荷分为两种：①工况 3a，加载 1.5 kN 分布在 0.2 m×0.2 m 面积上；②工况 3b，加载力为 3 kN/m2。局部加载安全系数γf 取 1.5考虑到导流罩存在连接部位，具体设计工况 3a 在两种不同位置加载：一为主罩体与侧面叶片罩连接处，如图 7(a)所示；二为两侧面叶片罩中间部位，如图 7(b)所示。
4 计算结果
对导流罩有限元模型进行静力学分析计算，得到各工况下导流罩最大变形和最大等效应变如表 3所示，需要注意的是，工况 3a 在两种位置加载的仿真结果分别是，主罩体与侧面叶片罩连接处最大变形和最大等效应变分别为 12.0 mm 和 0.135 5%，两侧面叶片罩中间部位最大变形和最大等效应变分别为 11.7 mm 和 0.246 2%，故工况 3a 下最大变形和最大等效应变取 12.0 mm 和 0.246 2%。综合来看，各工况下最大等效应变均小于 0.35%，说明所设计的导流罩符合强度要求。
不同工况下导流罩变形云图和平均等效应变云图如图 8~12 所示。
根据模拟云图显示，不同工况条件下导流罩最大变形和最大等效应力均出现在主罩体与侧面叶片罩连接处，因此在设计导流罩时应该注意加强此处的强度，如增加局部厚度或增加加强筋等结构。根 据 Tsai- Wu 准 则 计 算 ， 失 效 因 子 在 0.000 1~0.500 0 之间，均小于 1，证明导流罩不会发生分层失效。通过最大失效应变理论与 Tsai-Wu 理论组合判据，说明所设计结构满足静强度要求，而且现有的设计有着较大安全裕度，存在进一步减少导流罩壳体的厚度、进而减轻导流罩整体质量的可能性。
5 结语
本研究使用有限元 ANSYS 软件对某 2.5 MW 风力发电机复合材料导流罩进行数值建模，并对其在风载荷、雪载荷和活动载荷等不同工况下进行强度分析和失效校核，得出其最大变形和最大等效应力云图，证明复合材料导流罩的结构静强度满足设计要求。研究还发现不同工况条件下导流罩最大变形和最大等效应力均出现在主罩体与侧面叶片罩连接处，并且提出了此处增加局部厚度或增加加强筋等结构以加强此处强度的优化方案。
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