暫態振動分析

風力葉片在受風的作用下會產生一個正向的結構承受力以及周向的旋 轉力，葉片必須在風的作用下有足夠的強度，風力與時間的關係是隨機變 化的，有時風力在短時間之內迅速增加二到三倍，甚至數倍，因而暫態分 析將有助於了解葉片在瞬時陣風作用下的位移改變及應力、應變分佈情 形，本節將討論葉片在受瞬時激振力情形下的振動行為分析方式。

4.2.1 ANSYS模型建立步驟

暫態振動分析的前處理步驟與自然頻率分析一樣，可參閱4.1.1節的1-6 步驟，由於暫態分析相當耗費計算機系統資源，通常建立的網格比較粗，

用以節省計算時間及系統資源，為了能有效節省並善用資源，且能準確分 析量測點的結果，本文在實驗量測位置的節點上進行網格細分，並提供一 些節省資源的方法使用[73]。

準備進行暫態振動分析：

7. Main Menu→Preprocessor>Meshing→Modify Mesh>Refine At→Nodes：

細分網格，將原先較為粗的網格在需要分析的資料點處進行細分，

可得到較為精確的解。

8.Preprocessor→NumberingCtrls→Compress Numbers→Nodes、Elements：

壓縮節點、元素編號，使用此指令可以避面編號的跳號，此功能可 將已設定的所有相關資料轉換。

9. Preprocessor→Numbering Ctrls→Element Reorder→Reorder by XYZ：將 元素內部編號重新排列，可以使得資料結構完整，計算時更有效率。

10. Solution→Analysis Type→New Analysis：選擇暫態分析點選“Tran- sient”。

11. Solution → Analysis Type →Sol’n Controls：設定暫態的步進時間、結 尾時間、阻尼值等等。

12. Solution → Define Loads →Apply→Structurl：設定挾持邊界、受風下 葉片所承受的力、以及葉片轉動的速度。

13. Preprocessor→Archive Model→Write：將有限元素分析資料寫到文字 檔案中，本指令可以寫出乾淨的分析模型。

14. Utility Menu>File>Clear & Start New：清除所有資料，並重新開啟一 個乾淨的新檔案。

15. Preprocessor→Archive Model→Read：將之前寫出的乾淨模型讀入。

16. Solution → Solve → Current Ls：求解。

4.2.2 ANSYS模擬分析中各參數的取得 1.材料常數的給定

葉片製作所使用的材料包含面層的純樹酯、玻璃纖維/樹酯，芯材的 PS（聚苯乙烯）發泡，材料常數經實驗求得表列於表 5，並依序於 ANSYS 中設定編號為MAT=1、2、3。

2. 元素座標的設定

由於纖維材料具有方向性，必須在各面層的網格中定義坐標系統，

使得在實體常數中設定的角度有所意義，依據不同位置的面層定意坐標 系統，葉片的部分於徑向方向（翼展方向）設定為X，葉片旋轉方向（翼 弦方向）為Y，葉片表面的法向量方向為 Z，而葉柄的部分為圓柱幾何，

軸向設定為 X，弧面切線方向設定為 Y，表面的法向量方向為 Z，設定 完成後在產生元素時即可有規律且整齊的元素，如圖28 所示，各元素的 坐標系統都整齊的排列。

3.力的給定

Kistler 敲擊槌透過訊號分析儀將訊號存錄於個人電腦，利用個人電 腦中的軟體將存錄的力對時間圖取數個資料點紀錄下來，如圖29 所示，

在ANSYS 軟體中使用表單（table）的功能 parameters → Array Parameters

→Define/Edit，將紀錄的力對時間資料點對應輸入新增的表單裡，儲存 表單內容，在進行力的設定時 Solution → Define Loads →Apply→

Structurl→Force/Moment 其中的 Apply as 選項裡選擇 Existing table，點選 前一步驟所儲存的表單，完成暫態力的給定。

圖30 為阻尼量測試驗之加速度及位移對時間曲線，加速度為量測葉 片接近尖端50mm 處位置的量測數據，位移根據加速度量測數據對時間 積分後求得；由於 α-damping 對低頻影響較大對高頻沒什麼影響而 β-damping 對高頻影響較大對低頻沒什麼影響，因此，低頻下可以忽略 β-damping，α-damping 則利用第一階頻率計算；圖中得知在 27.4ms 至 274.7ms 內共振動六次，利用下式計算之， 位移，計算後得到

ξ

進入求解器中進行設定Solution → Analysis Type →Sol’n Controls，

選擇後會出現設定的視窗，點選Transient 設定，在 Damping Coefficients 裡將計算出的α-damping 輸入，Full Transient Option 選擇 Stepped loading。