｜葉片結構設計與分析工具評估

摘要：風力葉片結構設計牽涉到板殼理論與複合材料計算，且驗證又需採用有限元素分析，故如何能快速得到所設計之葉片結構特性與有限元素模型，對設計之效率影響相當大，本文討論美國Sandia National Laboratory與荷蘭Knowledge Centre WMC分別為此開發之工具軟體NuMAD與FOCUS，並就實際使用經驗比較其優劣處，以供設計使用參考。

Abstract: Wind blade structural design is related to plate-shell theory and composite design. Besides, the structural strength should be evaluated by finite element analysis. Therefore, how can blade structural properties be calculated and finite element model be created rapidly are big issues for blade design efficiency. This study discusses and compares the blade structural design software NuMAD and FOCUS, which can be used as a reference for blade design.

關鍵詞：葉片設計、有限元素模型、彎曲剛性

Keywords：Blade design, Finite element model, Flexural rigidity

前言
風力發電機係利用風力帶動其上之葉輪（rotor）旋轉後，將風之動能轉換為機艙內軸系之機械能，再由軸系傳至發電機將其轉換為電能而達成發電之目的；葉輪由2至3片葉片（blade）與用來固定葉片之軸轂（hub）組成，葉片為一細長結構，其外型由不同翼形系列之斷面組成，以利用翼形之空氣動力（aerodynamic）特性將入流的風形成升力帶動葉輪旋轉，因此，葉片為吸收風能之主要元件，亦為影響風力機效率最關鍵之元件之一。

葉片吸收風能之效率取決於葉片翼形分布所造成之整體氣動力性能，如前所述，葉片為細長結構，其在承受風負荷時除因升力而引發其轉動之效應外，還會產生與轉動平面垂直方向之變形，因此在進行葉片負荷分析時需以氣彈力（aeroelastic）理論為之；在葉片結構方面，欲達到葉片氣動力設計時期望之效率，葉片之結構應儘可能增強以維持其外形，使其不致在風力作用下改變形狀、偏離設計點，另外，整根葉片亦需有足夠之彎曲剛性（flexural rigidity）使其受風後之面外變形量不會大至影響其它元件，而其重量又不能太大至使葉片旋轉不易而阻礙風能之吸收，因此，葉片多使用比強度較高之複合材料以利輕量化，複合材料本身的力學特性即相當複雜，由上可知，葉片之設計需兼具效率、輕量化與結構強度，牽涉之理論含氣動力、氣彈力、斷面特性計算、複合材料、結構分析等，為一高度整合之工作。