 一．引言  隨著風(fēng)力渦輪葉片長(zhǎng)度增至120米以上，傳統(tǒng)梁和殼模型在氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)耦合分析中的局限性逐漸顯現(xiàn)。梁模型（1D）適用于初步設(shè)計(jì)，但難以捕捉截面變化；殼模型（2D）雖能描述幾何漸變，但忽略厚度方向應(yīng)力?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅關(guān)注縱向應(yīng)變，對(duì)剪切、扭轉(zhuǎn)及層間應(yīng)變的驗(yàn)證不足。實(shí)體模型（3D）雖精度最高，但因計(jì)算復(fù)雜度極少用于全尺寸葉片分析。 近日，Composite Structures 期刊發(fā)表了一篇由美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）團(tuán)隊(duì)完成的風(fēng)力渦輪葉片建模研究成果。該研究通過高分辨率實(shí)體模型，首次系統(tǒng)驗(yàn)證了梁與殼模型在全局響應(yīng)和局部應(yīng)力預(yù)測(cè)中的局限性，為大型葉片設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵理論支持。論文標(biāo)題為“A critical verification of beam and shell models of wind turbine blades”。   二．方法 梁模型（Beam model）： 基于幾何精確的Timoshenko梁理論的BeamDyn軟件構(gòu)建梁模型，并利用Legendre譜有限元與高斯積分方法進(jìn)行離散化。為確保模型精度，通過VABS 4.0軟件生成橫截面的剛度和質(zhì)量矩陣，并沿100米葉片長(zhǎng)度方向生成30個(gè)橫截面，這些橫截面基于開源IEA Wind Task 37的葉片本體文件定義，確保幾何一致性。梁模型通過高精度單元（10階插值函數(shù)）與優(yōu)化的網(wǎng)格參數(shù)（面層厚度方向2個(gè)單元，單元長(zhǎng)寬比2.5）確保計(jì)算效率與精度平衡。 殼模型（Shell model）： 該模型使用 pyNuMAD 內(nèi)置工具，根據(jù) IEA Wind 本體的數(shù)據(jù)定義葉片外形和材料屬性，并使用 S4 和 S3 單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。剪切腹板和尾緣膠粘劑也通過特定的單元類型進(jìn)行模擬。該模型能夠更好地捕捉葉片沿長(zhǎng)度方向的幾何變化，但在捕捉橫截面上的變化方面較差，并且簡(jiǎn)化了尾緣膠粘劑和腹板膠粘劑的建模，引入了平面應(yīng)力狀態(tài)假設(shè)。 實(shí)體模型（Solid model）： 該模型使用 Cubit 創(chuàng)建連續(xù)實(shí)體單元，并根據(jù)梁模型相同的橫截面定義進(jìn)行構(gòu)建。尾緣膠粘劑建模方面，模型考慮了兩種主要類型的尾緣膠粘劑幾何形狀的過渡，并通過劃分六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。實(shí)體模型能夠更準(zhǔn)確地模擬葉片的幾何和材料特性，但在計(jì)算效率方面較低。實(shí)體模型經(jīng)網(wǎng)格細(xì)化分析后選擇中等網(wǎng)格（兩單元穿透面層厚度），總單元數(shù)達(dá)7379萬。 載荷設(shè)置：殼單元和實(shí)體單元模型采用均勻表面牽引力加載，避免節(jié)點(diǎn)力分布差異。梁模型通過反推實(shí)體模型節(jié)點(diǎn)力實(shí)現(xiàn)載荷等效。  圖1 梁模型加載方式示意圖（點(diǎn)力與力矩分布）  圖2 殼模型示意圖  圖3 梁模型和實(shí)體模型尾緣細(xì)節(jié)的演變 三．結(jié)果  1.全局響應(yīng) 撓度：殼模型葉尖撓度誤差2%，梁模型誤差4.3%。 扭轉(zhuǎn)：殼模型低估扭轉(zhuǎn)角24%，而梁模型誤差僅5.6%。殼模型通過網(wǎng)格細(xì)化可部分改善。 2.局部應(yīng)力與失效指數(shù) 失效指數(shù)（Tsai-Wu）：實(shí)體模型在根部碳纖維加強(qiáng)層和腹板引入處捕捉到顯著應(yīng)力集中，而梁和殼模型無法反映。 后緣粘接層：梁模型在寬度方向應(yīng)力分布趨勢(shì)與實(shí)體模型一致，但殼模型完全偏離。 前緣加強(qiáng)層：殼模型在部分路徑中表現(xiàn)優(yōu)于梁模型，但在層間過渡區(qū)域兩者均不準(zhǔn)確。 圖4 葉尖撓度對(duì)比（殼與梁模型均低估）
圖6 僅在實(shí)體模型和梁模型之間存在足夠一致性的示例路徑 圖 7 與實(shí)體模型沒有足夠一致性的示例路徑 梁模型因忽略局部材料線旋轉(zhuǎn)效應(yīng)（如Brazier效應(yīng)），導(dǎo)致?lián)隙阮A(yù)測(cè)偏軟；殼模型因平面應(yīng)力假設(shè)無法捕捉離面應(yīng)力。兩者在幾何突變區(qū)域（如后緣、腹板邊界）的失效預(yù)測(cè)不可靠。研究還指出，現(xiàn)有氣彈耦合分析若依賴殼模型，可能因扭轉(zhuǎn)誤差影響攻角計(jì)算精度。 四．小結(jié) 實(shí)體模型是預(yù)測(cè)葉片關(guān)鍵區(qū)域（后緣、粘接層等）失效的唯一可靠方法。梁模型在全局響應(yīng)（如扭轉(zhuǎn)）中表現(xiàn)優(yōu)于殼模型，但兩者均需結(jié)合高分辨率實(shí)體模型進(jìn)行局部驗(yàn)證。該研究為未來大型葉片設(shè)計(jì)與多學(xué)科優(yōu)化提供了重要基準(zhǔn)。 原始文獻(xiàn)： Camarena, E., & Anderson, E. (2025). A critical verification of beam and shell models of wind turbine blades. Composite Structures, 360, 118999. 原文鏈接： https:///10.1016/j.compstruct.2025.118999 |
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