CN103116681A - 基于大型风力发电叶片的阳模模具系统的载荷分布计算方法 - Google Patents

基于大型风力发电叶片的阳模模具系统的载荷分布计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种大型风力发电叶片阳模模具系统的载荷分布计算方法。这种方法在将阳模系统分成支撑钢架、截面线切割钢板及阳模表面玻壳三部分的基础上，将阳模表面玻壳划分为玻壳代木层、玻壳玻璃钢层及玻壳方钢层三层结构。首先对支撑钢架和截面线切割钢板分别进行载荷分布求解；然后对阳模玻壳的三层结构分别进行载荷分布计算，计算过程中通过采用沿叶片长度方向等间距划分阳模玻壳进而对各小块进行离散求解并叠加计算的方法进行处理，把计算出的三层结构的离散载荷再一次进行叠加，通过软件matlab进行离散点的曲线拟合，最终得到阳模系统表面玻壳的载荷分布函数及分布曲线。这种方法的特点是，计算简单，精度较高。

Description

基于大型风力发电叶片的阳模模具系统的载荷分布计算方法
技术领域
本发明涉及一种大型风力发电叶片阳模模具系统的载荷分布计算方法。
背景技术
对于大型风力发电叶片阳模模具系统，分上模（PS）、和下模（SS）两子系统。由于叶片模型形状不规则，本身已发生扭转且在尾部有翘曲，导致叶片本身载荷分布无规律，进而大型风力发电叶片阳模模具系统载荷分布无规律。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型风力发电叶片阳模模具系统的载荷分布计算方法。这种方法计算简单，精度较高。
本发明提出的大型风力发电叶片阳模模具系统的载荷分布计算方法，所述阳模模具系统由玻壳代木层1、玻壳玻璃钢层2、玻壳方钢层3、截面线切割钢板4和随形支撑钢架5组成截面线切割钢板，其中：随形支撑钢架5放置在地面上，随形支撑钢架5上面沿指定距离焊接截面线切割钢板4，然后在截面线切割钢板4上面依次铺设玻壳方钢层3、玻壳玻璃钢层2和玻壳代木层1；具体步骤如下：
(1) 选取风力发电叶片，
(2)随形支撑钢架的载荷分布计算，利用ANSYS的APDL建立随形有限元模型，设置重力后由ANSYS软件本身自行计算载荷分布，控制密度为7800KG/m3、泊松比为2.1E11、单元类型为BEAM188。
(3) 截面线切割钢板载荷分布计算，截面线切割钢板视作位于不同截面的点载荷，不为连续载荷分布。对于单个截面线切割钢板的重量载荷计算方法，使用AUTO CAD中AREA命令测得每个截面的面积，代入公式(1)分别求出各个选定截面的载荷。
Figure 2013100703534100002DEST_PATH_IMAGE001
               (公式1)
给定钢板厚度8mm，密度7800KG/m3。                       
 (4) 玻壳代木层、玻壳玻璃钢层、玻壳方钢层载荷分布函数计算。由于玻壳代木层、玻壳玻璃钢层和玻壳方钢层外形不规则，通过采用沿叶片长度方向等间距划分玻壳代木层、玻壳玻璃钢层、玻壳方钢层，得到若干小块，对各小块进行离散求解并叠加计算的方法进行处理，把计算出的三层结构的离散载荷再一次进行叠加，从而得到了选定位置的离散载荷值，通过软件matlab进行离散点的曲线拟合，最终得到阳模系统表面玻壳的载荷分布函数及分布曲线，具体计算方法采用公式(2)进行计算：
Figure 461823DEST_PATH_IMAGE002
,  i=1,2,3. （公式2）
其中，
Figure 2013100703534100002DEST_PATH_IMAGE003
表示阳模玻壳载荷分布函数；
      
Figure 988750DEST_PATH_IMAGE004
为材料密度，
Figure 2013100703534100002DEST_PATH_IMAGE005
为重力加速度；
      
Figure 407968DEST_PATH_IMAGE006
分别表示阳模玻壳各层结构的载荷分布函数；
      
Figure 2013100703534100002DEST_PATH_IMAGE007
分别表示阳模玻壳各层结构的厚度；
Figure 678543DEST_PATH_IMAGE008
分别表示阴模玻壳各层结构等间距离散后各小块的表面积。
(5) 阳模模具系统制作过程
在阳模模具系统的制作过程中，首先将随型支撑钢架固定在地基上，然后在支撑钢架上面沿叶片长度方向等间距焊接截面线切割钢板，最后在截面线切割钢板上部铺设阳模表面玻壳，即依次铺设玻壳方钢层、玻壳玻璃钢层及玻壳代木层。
本发明的有益效果在于：本发明方法计算简单精度较高，通过等间距选取叶片大量位置的离散点进行载荷计算可以保证计算精度；通过采用高阶多项式拟合所取离散点的载荷值解决了复杂且不规则形状叶片的载荷分布问题。
附图说明
图1是大型风力发电叶片外形图。
图2是随型支撑钢架。
图3是截面线切割钢板。
图4是阳模表面玻壳。
图5是阳模模具系统截面形状。
图6是9m-AL-0.5MW叶片载荷分布函数曲线。
图7是42.4m-1.5MW叶片载荷分布函数曲线。
图8是62m-5MW-SS叶片载荷分布函数曲线。
图9是62m-5MW-PS叶片载荷分布函数曲线。
图10是75m-6MW-SS叶片载荷分布函数曲线。
图11是75m-6MW-PS叶片载荷分布函数曲线。
图12是本发明的流程图。
图中标号：1、玻壳代木层，2、玻壳玻璃钢层，3、玻壳方钢层，4、截面线切割钢板，5、随形支撑钢架。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：
如图1-图5所示，所述阳模模具系统由玻壳代木层1、玻壳玻璃钢层2、玻壳方钢层3、截面线切割钢板4和随形支撑钢架5组成截面线切割钢板，其中：随形支撑钢架5放置在地面上，随形支撑钢架5上面沿指定距离焊接截面线切割钢板4，然后在截面线切割钢板4上面依次铺设玻壳方钢层3、玻壳玻璃钢层2和玻壳代木层1；图12所示，具体步骤如下： 
(1) 支撑钢架的载荷分布计算。利用ANSYS的APDL建立随性有限元模型，设置重力后由软件本身自行计算载荷分布（设置密度7800KG/m3、泊松比2.1E11、单元类型BEAM188）。
(2) 截面线切割钢板载荷分布计算。视作位于不同截面的点载荷，不为连续载荷分布。对于单个截面线切割钢板的重量载荷计算方法，使用AUTO CAD中AREA命令测得每个截面的面积，代入下面的公式可分别求出各个选定截面的载荷。
Figure 538921DEST_PATH_IMAGE001
                     
 (3) 叶片阳模表面玻壳载荷分布函数计算。由于叶片阳模玻壳表面铺有三层密度、厚度均不同的材料，需对它们分别进行计算载荷分布函数，最后叠加。如图4所示，由于叶片阳模玻壳外形不规则，本文通过采用沿叶片长度方向等间距划分阳模玻壳进而对各小块进行离散求解并叠加计算的方法进行处理，把计算出的三层结构的离散载荷再一次进行叠加，从而得到了一系列选定位置的离散载荷值。 
具体计算方法采用下面的公式进行计算
Figure 689279DEST_PATH_IMAGE002
,  i=1,2,3. 
其中，表示阳模玻壳载荷分布函数；
      
Figure 831679DEST_PATH_IMAGE004
为材料密度，
Figure 342164DEST_PATH_IMAGE005
为重力加速度；
      分别表示阳模玻壳各层结构的载荷分布函数；
      
Figure 879772DEST_PATH_IMAGE007
分别表示阳模玻壳各层结构的厚度；
Figure 696419DEST_PATH_IMAGE008
分别表示阴模玻壳各层结构等间距离散后各小块的表面积。
给定该三层结构玻壳代木层、2玻壳玻璃钢层、3玻壳方钢层的密度和厚度分别为： 
Figure 750874DEST_PATH_IMAGE010
为600KG/m3，
Figure 2013100703534100002DEST_PATH_IMAGE011
为1452 KG/m3， 
Figure 149626DEST_PATH_IMAGE012
为7800 KG/m3；
Figure 2013100703534100002DEST_PATH_IMAGE013
取0.015m，
Figure 953371DEST_PATH_IMAGE014
取0.005m,取0.015m。
测量并计算各小块的表面积
Figure 804784DEST_PATH_IMAGE008
进而求出
Figure 407804DEST_PATH_IMAGE009
的一系列离散值后，利用matlab的polyfit、polyval等命令对其进行8次多项式拟合，最终得到理想的载荷分布函数及分布曲线。
9m（0.5MW）、44m(3MW)、62m(5MW)、75m(6MW) 叶片阳模模具系统（上、下模）经过叠加之后的载荷分布函数和曲线如图6-11所示。

Claims (1)

1.一种大型风力发电叶片阳模模具系统的载荷分布计算方法，其特征在于具体步骤如下：
(1) 选取风力发电叶片；
(2)随形支撑钢架的载荷分布计算，利用ANSYS的APDL建立随形有限元模型，设置重力后由ANSYS软件本身自行计算载荷分布，控制密度为7800KG/m3、泊松比为2.1E11、单元类型为BEAM188；
(3) 截面线切割钢板载荷分布计算，截面线切割钢板视作位于不同截面的点载荷，不为连续载荷分布；对于单个截面线切割钢板的重量载荷计算方法，使用AUTO CAD中AREA命令测得每个截面的面积，代入公式(1)分别求出各个选定截面的载荷；
 
Figure 867801DEST_PATH_IMAGE001
               (公式1)
给定钢板厚度8mm，密度7800KG/m3；
(4) 玻壳代木层、玻壳玻璃钢层、玻壳方钢层载荷分布函数计算，由于玻壳代木层、玻壳玻璃钢层和玻壳方钢层外形不规则，通过采用沿叶片长度方向等间距划分玻壳代木层、玻壳玻璃钢层、玻壳方钢层，得到若干小块，对各小块进行离散求解并叠加计算的方法进行处理，把计算出的三层结构的离散载荷再一次进行叠加，从而得到了选定位置的离散载荷值，通过软件matlab进行离散点的曲线拟合，最终得到阳模系统表面玻壳的载荷分布函数及分布曲线，具体计算方法采用公式(2)进行计算：
Figure 591037DEST_PATH_IMAGE002
,  i=1,2,3. （公式2）
其中，表示阳模玻壳载荷分布函数；
      
Figure 114477DEST_PATH_IMAGE004
为材料密度，
Figure 254603DEST_PATH_IMAGE005
为重力加速度；
      
Figure 601270DEST_PATH_IMAGE006
分别表示阳模玻壳各层结构的载荷分布函数；
      
Figure 325382DEST_PATH_IMAGE007
分别表示阳模玻壳各层结构的厚度；
分别表示阴模玻壳各层结构等间距离散后各小块的表面积；
 (5) 在阳模模具系统的制作过程中，首先将随型支撑钢架固定在地基上，然后在支撑钢架上面沿叶片长度方向等间距焊接截面线切割钢板，最后在截面线切割钢板上部铺设阳模表面玻壳，即依次铺设玻壳方钢层、玻壳玻璃钢层及玻壳代木层。
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