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摘 要：本文基于LZ55-3.0MW型叶片，用有限元软件ABAQUS建立风机叶片根部T型螺栓连接的有限元模型，应用有限元接触分析方法，研究了在轴向载荷作用下，叶根玻璃钢和T型螺栓连接的受力变形，同时对模型进行强度校核和能量分析，为叶片根部螺栓连接的设计提供合理的指导。
关键词：风机叶片 螺栓连接 预紧力 有限元分析
Finite Element Analysis of the Root T-type bolts Connection for Wind Turbine Blade
Abstract ： Based on LZ55-3.0MW blade ， this paper presents the finite model of the root T-type bolts connection for wind turbine. This simulation ， by means of the finite element contact analysis method ， investigates the loading deformation behavior of the blade root and T-bolt connections under axial loads ， and meanwhile through analyzing the strength and energy of the model to provide reasonable guidance for the design of the blade root connection .
Key Words ： wind turbine blade ； bolt connection ； pre-tightening force ； finite element analysis
一、引言
能源是人类社会发展的重要基础资源，风能作为一种洁净的可再生能源，越来越受到人们的重视。2007年6月7日国务院常务会议审议并原则通过《国家可再生能源中长期发展规划》，规划指出：我国将建设六大风电基地，2010年和2020 年，我国并网风电总装机分别达500万KW和3000万KW。
风力发电系统的关键部分是风机叶片，叶片结构和材料决定风机的性能和功率。其中，叶片根部螺栓连接的设计尤为关键，因为叶片的绝大部分载荷都由叶根承担 ，通过根部的轮毂轴承传递给风机塔架，因此，为保证风机叶片的正常运行，在外载荷作用下，对叶根壳体和T型螺栓连接部分进行受力分析和强度校核非常重要。
本文针对LZ55-3.0MW型叶片，通过有限元软件ABAQUS建立了叶片根部螺栓连接的三维有限元分析模型，通过模拟叶片根部壳体和螺栓连接部分的受力变形，对T-螺栓连接和根部玻璃钢进行了应力分析和强度校核，并从能量角度去分析各个部件的受力过程，从而为叶片根部复杂的螺栓连接设计提供合理可靠的指导。
二、叶片根部螺栓连接接触有限元模型的建立
1.模型的形状和尺寸大小及材料属性
2.载荷及边界条件
模型中将端盖固定住，螺栓预紧力为300KN，按照LZ55-3.0MW叶片的设计要求，在叶片根部轴向施加32813N的轴向拉力。
经过前面描述的模型建立、单元划分以及边界和加载等的完成，赋予模型各部分的材料属性，利用牵引分离损伤准则[5]，同时将生成的模型文件提交给求解器命令窗口进行运算，最终求得计算结果。
三、计算结果分析
四、叶根T螺栓连接应力强度分析
工程实际中，叶根的失效多发生于T螺栓连接，而非叶片壳体[6]，由模拟结果可知，螺栓光杆的轴向最大拉伸应力为669.8MPa（图1.2）， 与圆柱螺母接触处的螺纹面的最大拉伸应力186.9MPa（图1.2 ）；圆柱螺母在Z向的最大拉应力为42.47MPa（图1.3），这与设计文件《LZ55-3.0 Design Analysis Blade Connection》给出的应力强度值是一致的，进一步说明了本文所采用的简化模型的合理性和模拟方案的可行性。
从图1.4看出，在轴向拉伸载荷作用下，远离螺母孔处应力分布较均匀，平均应力值大概46MPa 。但在螺母孔附近，葉片壳体出现了明显的应力集中现象，且两个螺母孔处应力分布状况相似。叶根螺母孔之间的壳体沿轴向出现了最大拉应力，值为340.2MPa，同时，在叶根螺母孔与圆柱螺母接触区域出现了最大的压应力，值为173.2MPa，强度均满足设计文件中的许用强度值。
五、叶根T螺栓连接能量分析
通过对结果进行后处理，得到模型应变能随时间的变化图。
由应变能随时间的变化图可知，在整个分析步中，刚开始时，虽然施加了螺栓的预紧力，但是由于接触位置摩擦力的存在，使得模型总体的吸收能量等于消耗能量，模型处于一个暂时的平衡状态。随着螺栓预紧力的增加，螺栓逐渐拧紧，模型吸收的能量逐渐增加，但由图1.6可知，摩擦所消耗的能量也越来越大，二者此消彼长，最后，预紧力达到最大，并且被固定为螺栓的当前长度，通过图1.5可知在外载荷施加之前，模型总体的能量又进入一个平衡阶段。
六、结论
应用有限元软件对叶片根部T螺栓连接进行应力分析和强度校核，并从能量角度去剖析模型整个受力变形过程，其结果比较真实地反映了叶根螺栓连接的应力分布情况，同时，各个部件的强度也满足设计文件的许用要求。
综合所述，叶根T螺栓连接接触模型的简化方法和计算步骤将为叶根螺栓连接和叶片结构设计提供可靠的指导，同时，对于模拟复杂载荷工况下叶根螺栓连接的受力分析也提供了新思路。
参考文献
[1]Bouchard， P.O.， Bay， F. and Chastel， Y.Numerical modelling of crack propagation： automatic remeshing and comparison of different criteria. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2003，192：3887–3908.
[2]M. P. Henriques， R. J. Alves de Sousa and R. A. F. Valente. Numerical implicit strategies for wrinkling prediction in free and flange forming of anisotropic sheets. International Journal of Material Forming， 2010， 3（1）：907-910.
[3]W. H. Zhang and M. Domaszewski. Efficient sensitivity analysis and optimization of shell structures by the ABAQUS code. Structural and Multidisciplinary Optimization， 1999， 18（3）：173-182.
[4] （美） Tony Burton 等著.武鑫等译.风能技术[TK].北京：科学出版社， 2007.
关键词：风机叶片 螺栓连接 预紧力 有限元分析
Finite Element Analysis of the Root T-type bolts Connection for Wind Turbine Blade
Abstract ： Based on LZ55-3.0MW blade ， this paper presents the finite model of the root T-type bolts connection for wind turbine. This simulation ， by means of the finite element contact analysis method ， investigates the loading deformation behavior of the blade root and T-bolt connections under axial loads ， and meanwhile through analyzing the strength and energy of the model to provide reasonable guidance for the design of the blade root connection .
Key Words ： wind turbine blade ； bolt connection ； pre-tightening force ； finite element analysis
一、引言
能源是人类社会发展的重要基础资源，风能作为一种洁净的可再生能源，越来越受到人们的重视。2007年6月7日国务院常务会议审议并原则通过《国家可再生能源中长期发展规划》，规划指出：我国将建设六大风电基地，2010年和2020 年，我国并网风电总装机分别达500万KW和3000万KW。
风力发电系统的关键部分是风机叶片，叶片结构和材料决定风机的性能和功率。其中，叶片根部螺栓连接的设计尤为关键，因为叶片的绝大部分载荷都由叶根承担 ，通过根部的轮毂轴承传递给风机塔架，因此，为保证风机叶片的正常运行，在外载荷作用下，对叶根壳体和T型螺栓连接部分进行受力分析和强度校核非常重要。
本文针对LZ55-3.0MW型叶片，通过有限元软件ABAQUS建立了叶片根部螺栓连接的三维有限元分析模型，通过模拟叶片根部壳体和螺栓连接部分的受力变形，对T-螺栓连接和根部玻璃钢进行了应力分析和强度校核，并从能量角度去分析各个部件的受力过程，从而为叶片根部复杂的螺栓连接设计提供合理可靠的指导。
二、叶片根部螺栓连接接触有限元模型的建立
1.模型的形状和尺寸大小及材料属性
2.载荷及边界条件
模型中将端盖固定住，螺栓预紧力为300KN，按照LZ55-3.0MW叶片的设计要求，在叶片根部轴向施加32813N的轴向拉力。
经过前面描述的模型建立、单元划分以及边界和加载等的完成，赋予模型各部分的材料属性，利用牵引分离损伤准则[5]，同时将生成的模型文件提交给求解器命令窗口进行运算，最终求得计算结果。
三、计算结果分析
四、叶根T螺栓连接应力强度分析
工程实际中，叶根的失效多发生于T螺栓连接，而非叶片壳体[6]，由模拟结果可知，螺栓光杆的轴向最大拉伸应力为669.8MPa（图1.2）， 与圆柱螺母接触处的螺纹面的最大拉伸应力186.9MPa（图1.2 ）；圆柱螺母在Z向的最大拉应力为42.47MPa（图1.3），这与设计文件《LZ55-3.0 Design Analysis Blade Connection》给出的应力强度值是一致的，进一步说明了本文所采用的简化模型的合理性和模拟方案的可行性。
从图1.4看出，在轴向拉伸载荷作用下，远离螺母孔处应力分布较均匀，平均应力值大概46MPa 。但在螺母孔附近，葉片壳体出现了明显的应力集中现象，且两个螺母孔处应力分布状况相似。叶根螺母孔之间的壳体沿轴向出现了最大拉应力，值为340.2MPa，同时，在叶根螺母孔与圆柱螺母接触区域出现了最大的压应力，值为173.2MPa，强度均满足设计文件中的许用强度值。
五、叶根T螺栓连接能量分析
通过对结果进行后处理，得到模型应变能随时间的变化图。
由应变能随时间的变化图可知，在整个分析步中，刚开始时，虽然施加了螺栓的预紧力，但是由于接触位置摩擦力的存在，使得模型总体的吸收能量等于消耗能量，模型处于一个暂时的平衡状态。随着螺栓预紧力的增加，螺栓逐渐拧紧，模型吸收的能量逐渐增加，但由图1.6可知，摩擦所消耗的能量也越来越大，二者此消彼长，最后，预紧力达到最大，并且被固定为螺栓的当前长度，通过图1.5可知在外载荷施加之前，模型总体的能量又进入一个平衡阶段。
六、结论
应用有限元软件对叶片根部T螺栓连接进行应力分析和强度校核，并从能量角度去剖析模型整个受力变形过程，其结果比较真实地反映了叶根螺栓连接的应力分布情况，同时，各个部件的强度也满足设计文件的许用要求。
综合所述，叶根T螺栓连接接触模型的简化方法和计算步骤将为叶根螺栓连接和叶片结构设计提供可靠的指导，同时，对于模拟复杂载荷工况下叶根螺栓连接的受力分析也提供了新思路。
参考文献
[1]Bouchard， P.O.， Bay， F. and Chastel， Y.Numerical modelling of crack propagation： automatic remeshing and comparison of different criteria. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2003，192：3887–3908.
[2]M. P. Henriques， R. J. Alves de Sousa and R. A. F. Valente. Numerical implicit strategies for wrinkling prediction in free and flange forming of anisotropic sheets. International Journal of Material Forming， 2010， 3（1）：907-910.
[3]W. H. Zhang and M. Domaszewski. Efficient sensitivity analysis and optimization of shell structures by the ABAQUS code. Structural and Multidisciplinary Optimization， 1999， 18（3）：173-182.
[4] （美） Tony Burton 等著.武鑫等译.风能技术[TK].北京：科学出版社， 2007.