CN107784692A - 变形叶片的三维蒙皮建模方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变形叶片的三维蒙皮建模方法及装置，该方法包括：遍历变形前叶片蒙皮上的各个初始网格节点，按照下述方式确定当前遍历的初始网格节点的全局坐标，并按照各个全局坐标形成三维蒙皮模型：确定变形前叶片蒙皮上的初始网格节点在变形前叶片主梁上的初始投影点，并确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点；获取初始网格节点到初始投影点在局部坐标系中的初始矢量，并获取第一目标网格节点到第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量；根据所述初始矢量与所述第一目标矢量之间的相等关系，确定第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标。本发明能够获取变形叶片的三维蒙皮模型。

Description

变形叶片的三维蒙皮建模方法及装置

技术领域

本发明涉及建模技术领域，尤其涉及一种变形叶片的三维蒙皮建模方法及装置。

背景技术

风力发电机组(简称风力机组)的叶轮包括叶片、轮毂、导流罩等，伴随着风力机单机容量的日趋增加、叶轮直径的增大、以及叶片轻量化及叶片柔性的增加，叶片在风力作用下会发生变形、且在运动过程中叶片出现的变形幅度会很大。

风力机叶轮作为整机能量的输入源头，叶轮的稳定性对于评估整机的低频耦合振动问题起着至关重要的作用，准确预测风力机叶轮的稳定性，需要获知叶片三维外形在风力作用下发生的变形情况。

此外，如航空发动机(处理颤振问题)、压缩机(气动变形问题)、泵与水轮机(流固耦合问题)等，为解决各自在运转过程中的相应问题，均需要确定各自的叶轮叶片在外力作用下发生的变形情况。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的主要目的在于提供一种变形叶片的三维蒙皮建模方法及装置，以实现获取变形叶片的三维蒙皮模型的目的。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种变形叶片的三维蒙皮建模方法，包括：

遍历变形前叶片蒙皮上的各个初始网格节点，确定当前遍历的初始网格节点的全局坐标，并按照各个全局坐标形成三维蒙皮模型；

所述确定当前遍历的初始网格节点的全局坐标包括：

确定变形前叶片蒙皮上的初始网格节点在变形前叶片主梁上的初始投影点，并确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点；

获取所述初始网格节点到所述初始投影点在局部坐标系中的初始矢量，并获取所述第一目标网格节点到所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量；

根据所述初始矢量与所述第一目标矢量之间的相等关系，确定所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标；

其中，所述变形前叶片为无风载作用下的叶片，所述变形后叶片为确定风速作用下的处于平衡态的叶片，所述初始网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点，所述初始网格节点或所述第一目标网格节点所在的叶片截面对应建立有一所述局部坐标系。

可选的，所述确定变形前叶片蒙皮上的初始网格节点在变形前叶片主梁上的初始投影点，包括：

将变形前叶片蒙皮上的初始网格节点投影到变形前叶片主梁上，得到初始投影点；

遍历变形前叶片主梁上的各个预置节点，找出与所述初始投影点相邻的两个预置节点；

根据相邻两个预置节点在变形前叶片主梁上的位置信息，确定所述初始投影点在变形前叶片主梁上的位置信息。

可选的，所述确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点，包括：

根据所述初始投影点与所述相邻两个预置节点之间的位置关系，确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点。

可选的，所述获取所述初始网格节点到所述初始投影点在局部坐标系中的初始矢量，并获取所述第一目标网格节点到所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量，包括：

根据所述初始网格节点与所述初始投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述初始网格节点与所述初始投影点在所述局部坐标系中的初始矢量；

根据所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量。

可选的，所述方法还包括：

对所述变形后叶片进行模态分析，确定所述变形后叶片的各阶振型；

确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点，在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点，其中，所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点；

获取所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点在所述局部坐标系中的第二目标矢量；

根据所述第一目标矢量与所述第二目标矢量之间的相等关系，确定所述第二目标网格节点在全局坐标系中的坐标。

可选的，所述确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点，在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点，包括：

根据所述第一目标投影点与所述相邻两个预置节点之间的位置关系，确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点。

可选的，所述获取所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点在所述局部坐标系中的第二目标矢量，包括：

确定所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点，在叶片处于平衡态时的所述局部坐标系中的中间目标矢量；

确定所述中间目标矢量在对应振型时的所述局部坐标系中的第二目标矢量。

可选的，所述方法还包括：

计算所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标差。

本发明实施例还提供了一种变形叶片的三维蒙皮建模装置，包括：

节点遍历单元，用于遍历变形前叶片蒙皮上的各个初始网格节点；

坐标确定单元，用于确定当前遍历的初始网格节点的全局坐标；

蒙皮建模单元，用于按照各个全局坐标形成三维蒙皮模型；

其中，所述坐标确定单元包括：

初始投影点确定模块，用于确定变形前叶片蒙皮上的初始网格节点在变形前叶片主梁上的初始投影点；所述变形前叶片为无风载作用下的叶片；

目标投影点确定模块，用于确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点；所述变形后叶片为确定风速作用下的处于平衡态的叶片，所述初始网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点，所述初始网格节点或所述第一目标网格节点所在的叶片截面对应建立有一所述局部坐标系；

矢量获取模块，用于获取所述初始网格节点到所述初始投影点在所述局部坐标系中的初始矢量，并获取所述第一目标网格节点到所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量；

坐标确定模块，用于根据所述初始矢量与所述第一目标矢量之间的相等关系，确定所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标。

可选的，所述初始投影点确定模块包括：

节点投影子模块，用于将变形前叶片蒙皮上的初始网格节点投影到变形前叶片主梁上，得到初始投影点；

节点遍历子模块，用于遍历变形前叶片主梁上的各个预置节点，找出与所述初始投影点相邻的两个预置节点；

位置确定子模块，用于根据相邻两个预置节点在变形前叶片主梁上的位置信息，确定所述初始投影点在变形前叶片主梁上的位置信息。

可选的，所述目标投影点确定模块，具体用于根据所述初始投影点与所述相邻两个预置节点之间的位置关系，确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点。

可选的，所述矢量获取模块包括：

初始矢量获取子模块，用于根据所述初始网格节点与所述初始投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述初始网格节点与所述初始投影点在所述局部坐标系中的初始矢量；

目标矢量获取子模块，用于根据所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量。

可选的，所述装置还包括：

模态分析单元，用于对所述变形后叶片进行模态分析，确定所述变形后叶片的各阶振型；

投影点确定单元，用于确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点，在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点，其中，所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点；

矢量获取单元，用于获取所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点在所述局部坐标系中的第二目标矢量；

坐标确定单元，用于根据所述第一目标矢量与所述第二目标矢量之间的相等关系，确定所述第二目标网格节点在全局坐标系中的坐标。

可选的，所述投影点确定单元，具体用于根据所述第一目标投影点与所述相邻两个预置节点之间的位置关系，确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点。

可选的，所述矢量获取单元包括：

中间矢量确定模块，用于确定所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点，在叶片处于平衡态时的所述局部坐标系中的中间目标矢量；

目标矢量确定模块，用于确定所述中间目标矢量在对应振型时的所述局部坐标系中的第二目标矢量。

可选的，所述装置还包括：

坐标差计算单元，用于计算所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标差。

本发明实施例提供的变形叶片的三维蒙皮建模方法及装置，分别确定同一蒙皮网格节点在叶片变形前后的叶片主梁上的投影点，对于该网格节点与其在变形前叶片主梁上的投影点、以及该网格节点与其在变形后叶片主梁上的投影点，二者在其所在叶片截面对应的局部坐标系中的坐标是相等的，基于这种相等关系，可以确定该网格节点在叶片变形后的全局坐标值，通过上述方法可以确定叶片蒙皮上所有网格节点在叶片变形后的全局坐标值，从而利用这些全局坐标值可以得到变形叶片的三维蒙皮模型，进而确定了叶片的外形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例风力机组整机多体动力学模型示意图；

图2为本发明实施例风力机叶片示意图；

图3为本发明实施例叶片截面参数示意图；

图4为本发明实施例变形叶片的三维蒙皮建模方法的流程示意图之一；

图5为本发明实施例变形叶片的三维蒙皮建模方法的流程示意图之二；

图6为本发明实施例叶片变形前后示意图；

图7为本发明实施例蒙皮网格化示意图；

图8为本发明实施例初始投影点的位置示意图；

图9为本发明实施例全局坐标系与局部坐标系示意图之一；

图10为本发明实施例变形叶片的位移确定方法的流程示意之一；

图11为本发明实施例变形叶片的位移确定方法的流程示意图之二；

图12为本发明实施例第一目标投影点的位置示意图；

图13为本发明实施例全局坐标系与局部坐标系示意图之二；

图14为本发明实施例变形叶片的三维蒙皮建模装置的组成示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中的叶片不限于发动机、压缩机、泵与水轮机等设备模型中的叶片，现以风力机组整机多体动力学模型中的叶片等效模型为例，介绍本发明实施例。

参见图1所示的风力机组整机多体动力学模型示意图，所述风力机组整机多体动力学模型包括：风机基础、塔架、底座、轴系、轴承、轮毂、发电机、叶轮等部件。在对风力机组整机进行多体动力学建模时，可以通过有限元模型缩减以及部分部件模型简化进行整机建模，本实施例的整机建模过程中，需要对风力机组的整机动力学进行分析，具体兼顾了气动、控制、电磁、结构等耦合效应，这样建模得到的整机模型可以较为真实的反应出实际风力机组整机的运动特性。

参见图2所示的风力机叶片示意图，风力机叶片包括主梁和包裹在主梁外部的蒙皮，在风力机运转过程中，叶片通常会发生大幅度的变形，这种变形不但包括整个叶片的弯曲变形，还包括叶片截面上的剪切变形，因此，叶片等效模型中的叶片主梁可以采用考虑了剪切变形的Timoshenko梁，此处的叶片主梁是可以模拟变形的一条线。进一步地，为了建模得到所述叶片等效模型，具体可以依据叶片各截面位置处的刚度、扭角、气动中心、剪切中心、弹性中心、质量分布等结构参数与气动参数(参见图3所示的叶片截面参数示意图)，基于上述参数对叶片进行建模。

本发明实施例提供的变形叶片的三维蒙皮建模方法，需要在变形前的叶片蒙皮上预先取多个网格节点，为便于描述，将每个网格节点定义为初始网格节点，再遍历变形前叶片蒙皮上的各个初始网格节点，且确定当前遍历的初始网格节点的全局坐标，基于这些全局坐标便可确定变形叶片的外形，最后按照这些全局坐标便可形成三维蒙皮模型。

参见图4，为本发明实施例提供的变形叶片的三维蒙皮建模方法的流程示意图，所述确定当前遍历的初始网格节点的全局坐标，可以包括步骤401至403，下面结合图5介绍该实施例：

步骤401：确定变形前叶片蒙皮上的初始网格节点在变形前叶片主梁上的初始投影点，并确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点。

其中，所述变形前叶片为无风载作用下的叶片，所述变形后叶片为确定风速作用下的处于平衡态的叶片，所述叶片可以是所述风力机组整机多体动力学模型中的叶片等效模型，所述初始网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点，所述初始网格节点或所述第一目标网格节点所在的叶片截面对应建立有一局部坐标系。

在本实施例中，参见图6所示的叶片变形前后示意图，叶片变形是指叶片在风机横向方向上发生的变形。

为了实现步骤401，首先需要获取叶片变形前的梁数据和叶片变形后的梁数据，为了获得梁数据，本实施例中的叶片主梁在建模时被抽象成一条线，即叶片主梁每一截面被抽象成一个点。具体按照下述方式获取梁数据：

在所述风力机组整机多体动力学模型的基础上，可以考虑叶片的柔性以及重力，通过多体动力学分析方法，分析无风载作用下柔性叶片的静力学形态，获得无风载作用下的梁数据，本实施例中，将无风载作用下的梁数据称为叶片变形前的梁数据，以下简称为变形前梁数据。其中，为了获得所述变形前梁数据，需要预先在叶片主梁(实际上是一条线)上按照一定间隔取多个节点，并为每个节点所在的叶片截面建立一个局部坐标系，即在叶片主梁上取多少个节点，就对应存在多少个局部坐标系，基于无风载作用下的变形前叶片，将每一节点在其所在局部坐标系中的局部坐标、以及将全局坐标系转变为每一局部坐标系所对应的卡尔丹Cardan角作为所述变形前梁数据，即，变形前叶片主梁上的每个节点对应一局部坐标(X1,Y1,Z1)以及一Cardan角(α1,β1,γ1)。

在所述风力机组整机多体动力学模型的基础上，需要考虑叶片外部的风载、叶片的柔性及重力，兼顾气动、结构、电磁、控制等耦合效应，分析在确定风速工况下叶片的预应力模态，该模态具有特定的固有频率和模态振型，因此，通过预应力模态分析，可以获得确定风载作用下(叶片处于平衡态时)的梁数据、以及叶片变形后的各阶频率与模态振型，本实施例中，将所述确定风载作用下(叶片处于平衡态时)的梁数据称为叶片变形后的梁数据，以下简称为变形后梁数据。其中，对于上述叶片主梁上的多个节点、以及每一节点所在的局部坐标系，基于确定风载作用下的变形后叶片，将每一节点在其所在局部坐标系中的局部坐标、以及将全局坐标系转变为每一局部坐标系所对应的卡尔丹Cardan角作为所述变形后梁数据，即，变形后叶片主梁上的每个节点对应一局部坐标(X2,Y2,Z2)以及一Cardan角(α2,β2,γ2)。

进一步地，为了保证所述叶片等效模型中主梁的连续性、光顺性，保证后续叶片三维蒙皮节点插值结果的准确性，可以在叶片主梁各节点两两之间进行三次样条插值，进而进行上述变形前梁数据以及上述变形后梁数据的加密。为了保证插值后的梁数据的准确性，需在原始节点位置处1阶、2阶可导。

本实施例将上述主梁上的每一节点称为预置节点。

为了实现步骤401，还需要预先对叶片三维蒙皮进行网格化，具体如下：

对无风载作用下的叶片蒙皮表面进行网格化，获得叶片变形前的蒙皮网格，具体地，可以对变形前的叶片蒙皮表面进行相同或不同网格尺度的离散。当采用不同网格尺度对叶片蒙皮表面进行离散时，可以使叶轮不同半径位置处进行不同网格尺度的划分，具体地，可以使叶轮相同半径位置处的蒙皮网格大小与该位置处的叶片宽度成正比，例如，由于叶片根部的蒙皮区域较大、叶片尖部的蒙皮区域较小，所以将叶片根部的蒙皮区域划分为多个较大的网格，将叶片尖部的蒙皮区域划分为多个较小的网格，此外，考虑到叶片蒙皮不是规则形状，所以对于叶片边界区域，可以采用小网格对叶片蒙皮表面进行离散，以使叶片蒙皮各个区域均被网格离散化。在本实施例中，由于三叶片形状相同，可以使三叶片的网格化结果相同，即，使三叶片相同位置处的网格大小相同。然后，将上述网格数据存储在一个变形前叶片网格文件中。

参见图7所示的蒙皮网格化示意图，假设图7为被网格化的部分叶片蒙皮，本实施例将网格与网格之间的点称为网格节点。为便于区分，将变形前叶片蒙皮上的每个网格节点称为初始网格节点，将变形后叶片蒙皮上的每个网格节点称为第一目标网格节点。

在一些实施方式中，步骤401中的“确定变形前叶片蒙皮上的初始网格节点在变形前叶片主梁上的初始投影点”，可以包括步骤A1、A2和A3：

步骤A1：将变形前叶片蒙皮上的初始网格节点投影到变形前叶片主梁上，得到初始投影点。

参见图8所示的初始投影点的位置示意图。定义Pn、Pn+1为变形前叶片主梁上的相邻预置节点、Pm1为变形前叶片蒙皮上的一个初始网格节点、Pi1为Pm1在变形前叶片主梁上的初始投影点。具体实现时，将当前遍历到的初始网格节点Pm1投影到变形前叶片主梁上，得到初始投影点Pi1。

步骤A2：遍历变形前叶片主梁上的各个预置节点，找出与所述初始投影点相邻的两个预置节点。

沿叶根向叶尖方向或沿叶尖向叶根方向，遍历变形前叶片主梁上的各个预置节点，找到与初始投影点Pi1相邻的两个预置节点Pn和Pn+1。

步骤A3：根据相邻两个预置节点在变形前叶片主梁上的位置信息，确定所述初始投影点在变形前叶片主梁上的位置信息。

根据相邻两个预置节点Pn、Pn+1以及初始网格节点Pm1在全局坐标系中的位置坐标，计算初始投影点Pi1在全局坐标系中的位置坐标。此外，基于所述变形前梁数据中关于Pn、Pn+1的梁数据、或者基于通过三次样条差值加密得到的变形前梁数据中关于Pn、Pn+1的梁数据，通过线性插值，可以计算得到Pi1点在其所在局部坐标系A中的局部坐标(x1，y1，z1)以及全局坐标系转变为该局部坐标系A所对应的Cardan角(α1，β1，γ1)。

在一些实施方式中，步骤401中的“确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点”，即计算所述第一目标投影点在变形后叶片主梁上的位置，可以包括：根据所述初始投影点与所述相邻两个预置节点之间的位置关系，确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点。

参见图8，假设变形前叶片主梁上的预置节点Pn与Pn+1为所述初始投影点Pi1两边的相邻预置节点。由于可以从所述变形后梁数据中获取变形后叶片主梁上的预置节点Pn与Pn+1的位置信息，且在叶片变形前后，Pi1与Pi11在Pn、Pn+1之间的位置相同，所以根据变形后叶片主梁上Pn与Pn+1的位置信息以及Pi1在线段Pn、Pn+1中的相对位置关系，可以计算得到Pm1(即第一目标网格节点)的投影点Pi11(即第一目标投影点)在变形后主梁上的位置。

基于所述变形后梁数据或者基于通过三次样条差值加密得到的变形后梁数据，通过线性插值，可以计算得到Pi11点在其所在局部坐标系A中的局部坐标(x2，y2，z2)以及全局坐标系转变为该局部坐标系A所对应的Cardan角(α2，β2，γ2)。

步骤402：获取所述初始网格节点到所述初始投影点在局部坐标系中的初始矢量，并获取所述第一目标网格节点到所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量。

需要说明的是，所述初始网格节点与所述初始投影点在同一叶片截面，所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点也在同一叶片截面，由于所述初始网格节点与所述第一目标网格节点是叶片变形前后的同一网格节点，所以二者的叶片截面是同一截面且对应同一局部坐标系，其中，局部坐标系是固结在该叶片截面上的动坐标系。

在本实施例中，步骤402可以包括步骤B1和B2：

步骤B1：根据所述初始网格节点与所述初始投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述初始网格节点与所述初始投影点在所述局部坐标系中的初始矢量。

参见图9所示的全局坐标系与局部坐标系示意图之一，初始网格节点(比如图8所示变形前叶片蒙皮上的网格节点Pm1)和初始投影点(比如图8所示Pm1在变形前主梁上的投影点Pi1)，在全局坐标系OXYZ中的矢量为已知，Pm1与Pi1所在叶片截面(叶片变形前)的局部坐标系为O₁X₁Y₁Z₁，通过Cardan变换矩阵，可以计算得到矢量在O₁X₁Y₁Z₁中的矢量A(即所述初始矢量)。

步骤B2：根据所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量。

参见图9，第一目标网格节点(比如图8所示变形前叶片蒙皮上的网格节点Pm1)和第一目标投影点(比如图8所示Pm1在变形后叶片主梁上的投影点Pi11)，在全局坐标系OXYZ中的矢量为已知，Pm1与Pi11所在叶片截面(变形后)的局部坐标系为O₂X₂Y₂Z₂，通过Cardan变换矩阵，可以计算得到矢量在O₂X₂Y₂Z₂中的矢量B(即所述第一目标矢量)。

需要说明的是，虽然O₁X₁Y₁Z₁与O₂X₂Y₂Z₂是同一局部坐标系，但是，在叶片变形前后，叶片截面会发生位置变化，因局部坐标系是固结在叶片截面上的，所以，局部坐标系也会随叶片截面的位置变化而变化。

步骤403：根据所述初始矢量与所述第一目标矢量之间的相等关系，确定所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标。

因为叶片剖面为刚性面，所以同一矢量在叶片变形前后的局部坐标系下矢量相等，即矢量A＝矢量B，基于这种等式关系，通过Cardan矩阵运算，可以计算得到变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点Pm1在全局坐标系中的坐标值。

可见，本实施例是通过Cardan变化矩阵，将全局坐标系OXYZ中的矢量分别变换到局部坐标系O₁X₁Y₁Z₁和O₂X₂Y₂Z₂中，根据两个矢量在两个局部坐标系中的结果相等，建立方程，做矩阵运算，计算得所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标值。

本发明实施例提供的变形叶片的三维蒙皮建模方法，分别确定同一蒙皮网格节点在叶片变形前后的叶片主梁上的投影点，对于该网格节点与其在变形前叶片主梁上的投影点、以及该网格节点与其在变形后叶片主梁上的投影点，二者在其所在叶片截面对应的局部坐标系中的坐标是相等的，基于这种相等关系，可以确定该网格节点在叶片变形后的全局坐标值，通过上述方法可以确定叶片蒙皮上所有网格节点在叶片变形后的全局坐标值，从而利用这些全局坐标值可以得到变形叶片的三维蒙皮模型，进而确定了叶片的外形。

可见，通过上述方法可以确定变形后叶片上的各个蒙皮网格节点在全局坐标系中的位置，从而基于这些全局坐标实现了对变形叶片的三维蒙皮建模，进而得到了变形后叶片的外形。进一步地，针对变形后叶片(叶片处于平衡态位置处)的各阶振型，本发明实施例还可以确定各阶振型的蒙皮网格节点的全局坐标，具体实现如下。

参见图10，为本发明实施例提供的变形叶片的位移确定方法的流程示意图，该方法包括步骤1001至步骤1004，下面结合图11介绍该实施例二：

步骤1001：对所述变形后叶片进行模态分析，确定所述变形后叶片的各阶振型；其中，所述变形后叶片为确定风速作用下的处于平衡态的叶片，所述叶片为所述叶片等效模型。

模态是结构系统的固有振动特性，物体可能存在多个模态，比如，一阶模态、二阶模态……等等。每个物体都具有自己的固有频率，在外力的激励作用下，物体会表现出不同的振动特性，一阶模态是外力的激励频率与物体固有频率相等的时候出现的，此时物体的振动形态叫做一阶振型，二阶模态是外力的激励频率是物体固有频率的两倍时候出现的，此时物体的振动形态叫做二阶振型，等等。因此，叶片在风载的外力作用下，同样会出现不同的模态，本实施例需要对变形后叶片进行模态分析，确定平衡态叶片所具有的各阶振型。

关于所述变形后叶片的相关介绍请参见上述实施例内容。

步骤1002：确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点，在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点。

为便于区分，将叶片处于平衡态时的叶片蒙皮上的每个网格节点称为第一目标网格节点，将某阶振型的叶片蒙皮上的每个网格节点称为第二目标网格节点。

其中，所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点，所述第二目标网格节点或所述第一目标网格节点所在的叶片截面对应建立有一局部坐标系。

为了实现步骤1002，需要获取上述实施例中提到的所述变形后梁数据，所述变形后梁数据的相关介绍参见上述实施例内容。

首先，获取所述变形后梁数据，即变形后叶片主梁上的每个预置节点对应的一局部坐标以及一Cardan角。依据叶片的各阶振型结果，从所述变形后梁数据中，获取叶片主梁上的各个预置节点(叶片处于平衡态时)各自所在局部坐标系的坐标分量上的模态幅值(X1',Y1',Z1')、以及各个预置节点对应的Cardan角的角度分量(α1',β1',γ1')，将这些数据称为模态变化前的梁数据；并从所述变形后梁数据中，获取叶片主梁上的各个预置节点(叶片在某阶振型下)各自所在局部坐标系的坐标分量的模态幅值(X2',Y2',Z2')、以及Cardan角的角分量(α2',β2',γ2')，将这些数据称为模态变化后的梁数据；将模态变化前后的梁数据统称为梁上的模态振型数据。

然后，将上述复模态数据转换为实模态数据。即，取复模态的幅值作为实模态的数值大小；实模态的符号根据各分量的相位关系确定，即，相位在0度附近的，幅值取正，相位在±180度附近的，幅值取负，例如：α1'在0度附近的，X1'取正值，α1'在±180度度附近的，X1'取负值。

在一些实施方式中，步骤1002中的“确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点，在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点”，可以包括：根据所述第一目标投影点与所述相邻两个预置节点之间的位置关系，确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点。

参见图12所示的第一目标投影点的位置示意图，定义Pn、Pn+1为模态变化前(即叶片处于平衡态时)叶片主梁上的相邻预置节点、Pm2为模态变化前叶片蒙皮上的一个第一目标网格节点、Pi2为Pm2在模态变化前主梁上的第一目标投影点。具体实现上述步骤1002的实施方式时，假设模态变化前叶片主梁上的预置节点Pn与Pn+1为所述第一目标投影点Pi2两边的相邻预置节点，由于可以从上述梁上的模态振型数据中获取模态变化后叶片主梁上的预置节点Pn与Pn+1的位置信息，且在叶片模态变化前后，Pi2与Pi22在Pn、Pn+1之间的位置相同，所以根据模态变化后叶片主梁上Pn与Pn+1的位置信息以及Pi2在线段Pn、Pn+1中的相对位置关系，可以计算得到Pm2(即第二目标网格节点)的投影点Pi22(即第二目标投影点)在模态变化后主梁上的位置。

基于所述模态变化后的梁数据或者基于通过三次样条差值加密得到的模态变化后的梁数据，通过线性插值，可以计算得到Pi22点在其所在局部坐标系B中的局部坐标(x4，y4，z4)以及全局坐标系转变为该局部坐标系B所对应的Cardan角(α4，β4，γ4)。

步骤1003：获取所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点在所述局部坐标系中的第二目标矢量。

需要说明的是，所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在同一叶片截面，所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点也在同一叶片截面，由于所述第一目标网格节点与所述第二目标网格节点是模态变化前后的同一网格节点，所以二者的叶片截面是同一截面且对应同一局部坐标系，其中，局部坐标系是固结在该叶片截面上的动坐标系。

在本实施例中，步骤1003可以包括步骤C1和C2：

步骤C1：确定所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点，在叶片处于平衡态时的所述局部坐标系中的中间目标矢量。

参见图13所示的全局坐标系与局部坐标系示意图之二。第一目标网格节点(比如图12所示模态变化前叶片蒙皮上的网格节点Pm2)和第一目标投影点(比如图12所示Pm2在模态变化前主梁上的投影点Pi2)，在全局坐标系OXYZ中的矢量为已知，Pm2与Pi2所在叶片截面(模态变化前即叶片处于平衡态时)的局部坐标系为O₁X₁Y₁Z₁，通过Cardan变换矩阵M1，可以计算得到矢量在O₁X₁Y₁Z₁中的矢量C(即所述第一目标矢量)。

根据梁节点的模态结果，可以基于上述梁上的模态振型数据，计算得到第二目标投影点(比如图12中第二目标网格节点Pm2在模态变化后主梁上的投影点Pi22)在模态变化后(即某阶振型)时在全局坐标系OXYZ中的位置、以及从模态变化前的局部坐标系O₁X₁Y₁Z₁变换到模态变化后的局部坐标系O₂X₂Y₂Z₂的Cardan变换矩阵M2。

设模态变化后，所述第二目标网格节点(Pm2)与所述第二目标投影点(Pi22)在全局坐标系OXYZ中的矢量为其中Pi22在全局坐标系OXYZ中的坐标在上一步已经求出，Pm2在全局坐标系OXYZ中的坐标即为要求的中间结果，通过Cardan变换矩阵M1将从全局坐标系OXYZ变换到局部坐标系O₁X₁Y₁Z₁中，得到矢量在O₁X₁Y₁Z₁中的矢量D(即所述中间目标矢量)。

步骤C2：确定所述中间目标矢量在对应振型时的所述局部坐标系中的第二目标矢量。

通过Cardan变换矩阵M2，将局部坐标系O₁X₁Y₁Z₁中的矢量D，变换到局部坐标系O₂X₂Y₂Z₂中，得到矢量E(即所述第二目标矢量)。

步骤1004：根据所述第一目标矢量与所述第二目标矢量之间的相等关系，确定所述第二目标网格节点在全局坐标系中的坐标。

当模态变化前叶片剖面的第二局部坐标系为O₁X₁Y₁Z₁，模态变化后叶片剖面的第二局部坐标系为O₂X₂Y₂Z₂时，如果Pm2为该叶片剖面上的叶片蒙皮上的节点，因为剖面为刚性面，所以矢量在局部坐标系O₁X₁Y₁Z₁中的矢量C与在局部坐标系O₂X₂Y₂Z₂中的矢量E是相等的，即矢量C＝矢量E，基于这种等式关系，通过Cardan矩阵运算，可以计算得到模态变化后叶片蒙皮上的第二目标网格节点Pm2在全局坐标系中的坐标值。

进一步地，本发明实施例还可以确定各阶振型的叶片相对于其在平衡态位置处的位移增量，因此本发明实施例还包括步骤1005：

步骤1005：计算所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标差。

对于蒙皮网格节点Pm2，将其在模态变化后的全局坐标分量值与其在模态变形前的全局坐标分量值进行相减，即可得到网格节点Pm2在模态变化前后的位移增量。

可见，通过分别确定同一蒙皮网格节点在模态变化前后的叶片主梁上的投影点，对于该网格节点与其在模态变化前叶片主梁上的投影点、以及该网格节点与其在模态变化后叶片主梁上的投影点，二者在其所在叶片截面对应的局部坐标系中的坐标是相等的，基于这种相等关系，可以确定该网格节点在模态变化后的全局坐标值，通过上述方法可以确定叶片蒙皮上所有网格节点在模态变化后的全局坐标值，将该网格节点在模态变化前后的全局坐标值进行相减，即可得到该网格节点的模态变形增量。

需要说明的是，在上述实施例一和实施例二中，所述Cardan变换矩阵为：

为了程序统一处理方便，可以将平移变换矩阵与旋转变换矩阵统一转换为齐次变换矩阵：

参见图14，为本发明实施例提供的变形叶片的三维蒙皮建模装置，该装置包括：

节点遍历单元1401，用于遍历变形前叶片蒙皮上的各个初始网格节点；

坐标确定单元1402，用于确定当前遍历的初始网格节点的全局坐标；

蒙皮建模单元1403，用于按照各个全局坐标形成三维蒙皮模型；

其中，所述坐标确定单元1402包括：

初始投影点确定模块，用于确定变形前叶片蒙皮上的初始网格节点在变形前叶片主梁上的初始投影点；所述变形前叶片为无风载作用下的叶片；

目标投影点确定模块，用于确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点；所述变形后叶片为确定风速作用下的处于平衡态的叶片，所述初始网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点，所述初始网格节点或所述第一目标网格节点所在的叶片截面对应建立有一所述局部坐标系；

矢量获取模块，用于获取所述初始网格节点到所述初始投影点在所述局部坐标系中的初始矢量，并获取所述第一目标网格节点到所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量；

坐标确定模块，用于根据所述初始矢量与所述第一目标矢量之间的相等关系，确定所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标。

在一些实施方式中，所述初始投影点确定模块包括：

节点投影子模块，用于将变形前叶片蒙皮上的初始网格节点投影到变形前叶片主梁上，得到初始投影点；

节点遍历子模块，用于遍历变形前叶片主梁上的各个预置节点，找出与所述初始投影点相邻的两个预置节点；

位置确定子模块，用于根据相邻两个预置节点在变形前叶片主梁上的位置信息，确定所述初始投影点在变形前叶片主梁上的位置信息。

在一些实施方式中，所述目标投影点确定模块，具体用于根据所述初始投影点与所述相邻两个预置节点之间的位置关系，确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点。

在一些实施方式中，所述矢量获取模块包括：

初始矢量获取子模块，用于根据所述初始网格节点与所述初始投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述初始网格节点与所述初始投影点在所述局部坐标系中的初始矢量；

目标矢量获取子模块，用于根据所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量。

在一些实施方式中，所述装置还包括：

模态分析单元，用于对所述变形后叶片进行模态分析，确定所述变形后叶片的各阶振型；

投影点确定单元，用于确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点，在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点，其中，所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点；

矢量获取单元，用于获取所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点在所述局部坐标系中的第二目标矢量；

坐标确定单元，用于根据所述第一目标矢量与所述第二目标矢量之间的相等关系，确定所述第二目标网格节点在全局坐标系中的坐标。

在一些实施方式中，所述投影点确定单元，具体用于根据所述第一目标投影点与所述相邻两个预置节点之间的位置关系，确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点。

在一些实施方式中，所述矢量获取单元包括：

中间矢量确定模块，用于确定所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点，在叶片处于平衡态时的所述局部坐标系中的中间目标矢量；

目标矢量确定模块，用于确定所述中间目标矢量在对应振型时的所述局部坐标系中的第二目标矢量。

在一些实施方式中，所述装置还包括：

坐标差计算单元，用于计算所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标差。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如媒体网关等网络通信设备，等等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

需要说明的是，对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (16)

1.一种变形叶片的三维蒙皮建模方法，其特征在于，包括：

遍历变形前叶片蒙皮上的各个初始网格节点，确定当前遍历的初始网格节点的全局坐标，并按照各个全局坐标形成三维蒙皮模型；

所述确定当前遍历的初始网格节点的全局坐标包括：

确定变形前叶片蒙皮上的初始网格节点在变形前叶片主梁上的初始投影点，并确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点；

获取所述初始网格节点到所述初始投影点在局部坐标系中的初始矢量，并获取所述第一目标网格节点到所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量；

根据所述初始矢量与所述第一目标矢量之间的相等关系，确定所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标；

其中，所述变形前叶片为无风载作用下的叶片，所述变形后叶片为确定风速作用下的处于平衡态的叶片，所述初始网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点，所述初始网格节点或所述第一目标网格节点所在的叶片截面对应建立有一所述局部坐标系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定变形前叶片蒙皮上的初始网格节点在变形前叶片主梁上的初始投影点，包括：

将变形前叶片蒙皮上的初始网格节点投影到变形前叶片主梁上，得到初始投影点；

遍历变形前叶片主梁上的各个预置节点，找出与所述初始投影点相邻的两个预置节点；

根据相邻两个预置节点在变形前叶片主梁上的位置信息，确定所述初始投影点在变形前叶片主梁上的位置信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点，包括：

根据所述初始投影点与所述相邻两个预置节点之间的位置关系，确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述初始网格节点到所述初始投影点在局部坐标系中的初始矢量，并获取所述第一目标网格节点到所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量，包括：

根据所述初始网格节点与所述初始投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述初始网格节点与所述初始投影点在所述局部坐标系中的初始矢量；

根据所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述变形后叶片进行模态分析，确定所述变形后叶片的各阶振型；

确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点，在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点，其中，所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点；

获取所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点在所述局部坐标系中的第二目标矢量；

根据所述第一目标矢量与所述第二目标矢量之间的相等关系，确定所述第二目标网格节点在全局坐标系中的坐标。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点，在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点，包括：

根据所述第一目标投影点与所述相邻两个预置节点之间的位置关系，确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述获取所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点在所述局部坐标系中的第二目标矢量，包括：

确定所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点，在叶片处于平衡态时的所述局部坐标系中的中间目标矢量；

确定所述中间目标矢量在对应振型时的所述局部坐标系中的第二目标矢量。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

计算所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标差。

9.一种变形叶片的三维蒙皮建模装置，其特征在于，包括：

节点遍历单元，用于遍历变形前叶片蒙皮上的各个初始网格节点；

坐标确定单元，用于确定当前遍历的初始网格节点的全局坐标；

蒙皮建模单元，用于按照各个全局坐标形成三维蒙皮模型；

其中，所述坐标确定单元包括：

初始投影点确定模块，用于确定变形前叶片蒙皮上的初始网格节点在变形前叶片主梁上的初始投影点；所述变形前叶片为无风载作用下的叶片；

目标投影点确定模块，用于确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点；所述变形后叶片为确定风速作用下的处于平衡态的叶片，所述初始网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点，所述初始网格节点或所述第一目标网格节点所在的叶片截面对应建立有一所述局部坐标系；

矢量获取模块，用于获取所述初始网格节点到所述初始投影点在所述局部坐标系中的初始矢量，并获取所述第一目标网格节点到所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量；

坐标确定模块，用于根据所述初始矢量与所述第一目标矢量之间的相等关系，确定所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述初始投影点确定模块包括：

节点投影子模块，用于将变形前叶片蒙皮上的初始网格节点投影到变形前叶片主梁上，得到初始投影点；

节点遍历子模块，用于遍历变形前叶片主梁上的各个预置节点，找出与所述初始投影点相邻的两个预置节点；

位置确定子模块，用于根据相邻两个预置节点在变形前叶片主梁上的位置信息，确定所述初始投影点在变形前叶片主梁上的位置信息。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述目标投影点确定模块，具体用于根据所述初始投影点与所述相邻两个预置节点之间的位置关系，确定变形后叶片蒙皮上的第一目标网格节点在变形后叶片主梁上的第一目标投影点。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述矢量获取模块包括：

初始矢量获取子模块，用于根据所述初始网格节点与所述初始投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述初始网格节点与所述初始投影点在所述局部坐标系中的初始矢量；

目标矢量获取子模块，用于根据所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在全局坐标系中的矢量，得到所述第一目标网格节点与所述第一目标投影点在所述局部坐标系中的第一目标矢量。

13.根据权利要求9至12任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

模态分析单元，用于对所述变形后叶片进行模态分析，确定所述变形后叶片的各阶振型；

投影点确定单元，用于确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点，在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点，其中，所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点为叶片蒙皮上的同一网格节点；

矢量获取单元，用于获取所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点在所述局部坐标系中的第二目标矢量；

坐标确定单元，用于根据所述第一目标矢量与所述第二目标矢量之间的相等关系，确定所述第二目标网格节点在全局坐标系中的坐标。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述投影点确定单元，具体用于根据所述第一目标投影点与相邻两个预置节点之间的位置关系，确定对应振型的叶片蒙皮上的第二目标网格节点在对应振型的叶片主梁上的第二目标投影点。

15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述矢量获取单元包括：

中间矢量确定模块，用于确定所述第二目标网格节点与所述第二目标投影点，在叶片处于平衡态时的所述局部坐标系中的中间目标矢量；

目标矢量确定模块，用于确定所述中间目标矢量在对应振型时的所述局部坐标系中的第二目标矢量。

16.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

坐标差计算单元，用于计算所述第二目标网格节点与所述第一目标网格节点在全局坐标系中的坐标差。