CN108984947A - 一种风电叶片根部预埋螺套的设计方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电叶片根部预埋螺套的设计方法、装置及系统，该方法包括依据预设工况参数，建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型；对1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型；依据预设参数对1/225叶根有限元模型进行有限元计算，得到1/225叶根及预埋螺套的等效应变分布图和等效应力分布图；预设参数包括1/225叶根的材料参数；依据等效应变分布图和等效应力分布图对预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析，以得出相对于所述预埋螺套的材料屈服强度与标准几何尺寸的校核结果。本申请具有降低产品研发成本、缩短实验周期，且分析计算结果更精确的优点。
Description
技术领域
本发明实施例涉及风电叶片预埋件设计技术领域，特别是涉及一种风电叶片根部预埋螺套的设计方法、装置及系统。
背景技术
目前，我国对于风电叶片高强合金钢预埋件的设计主要采用工程算法进行设计，也就是根据叶根紧固件承受静态或交变载荷的工况，应用VDI2230规范建立基于预紧力作用的载荷关系式。该准则只是针对通用紧固件的计算规范，无法直接用于紧固件预埋件的计算。
现有技术中，在进行预埋螺套设计时，需要基于VDI2230规范通过理论、经验公式和数据对预埋螺套的各部分参数进行估算评估，并且在估算评估过程中还需要用户进行额外的假设，现有技术中在对预埋螺套进行设计时由于计算量大，使研发周期较长，并且准确度低，导致设计成的预埋螺套相对于使用工况的安全系数较高、设计域度过大，造成材料和成本的浪费。
鉴于此，如何提供一种解决上述技术问题的风电叶片根部预埋螺套的设计方法、装置及系统成为本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种风电叶片根部预埋螺套的设计方法、装置及系统，在使用过程中计算量小、计算速度快、分析计算结果更精确，能够降低产品研发成本、缩短实验周期，使设计出的预埋螺套的安全系数和域度更加合理，在一定程度上能够节约材料和成本。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种风电叶片根部预埋螺套的设计方法，包括：
依据预设工况参数，建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型；
对所述1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型；
依据预设参数对所述1/225叶根有限元模型进行有限元计算，得到1/225叶根及所述预埋螺套的等效应变分布图和等效应力分布图；所述预设参数包括所述1/225叶根的材料参数；
依据所述等效应变分布图和所述等效应力分布图对所述预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析，以便得出相对于所述预埋螺套的材料屈服强度与标准几何尺寸的校核结果。
可选的，所述对所述1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根的有限元模型的过程包括：
依据预设单元类型、网格形状、单元阶次及网格尺寸对所述1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型。
可选的，所述预设参数还包括所述1/225叶根的边界条件与受力载荷。
可选的，所述边界条件包括：
所述1/225叶根的边界面两侧为无摩擦连接；
所述1/225叶根的叶根处的外部弯矩为115％；
所述1/225叶根的轮毂外端面为固定约束；
所述1/225叶根的紧固件与螺套的连接位置施加轴向预紧力。
可选的，所述依据所述等效应变分布图和所述等效应力分布图对所述预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析的过程包括：
依据所述等效应变分布图和所述等效应力分布图对所述预埋螺套的外圆弧、内螺纹倒角、螺纹段和非螺纹段的强度、刚度及几何尺寸进行分析。
本发明实施例相应的提供了一种风电叶片根部预埋螺套的设计装置，包括：
建立模块，用于依据预设工况参数，建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型；
划分模块，用于对所述1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型；
计算模块，用于依据预设参数对所述1/225叶根有限元模型进行有限元计算，得到1/225叶根及所述预埋螺套的等效应变分布图和等效应力分布图；所述预设参数包括所述1/225叶根的材料参数；
分析模块，用于依据所述等效应变分布图和所述等效应力分布图对所述预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析，以便得出相对于所述预埋螺套的材料屈服强度与标准几何尺寸的校核结果。
可选的，所述划分模块，具体用于依据预设单元类型、网格形状、单元阶次及网格尺寸对所述1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型。
本发明实施例提供了一种风电叶片根部预埋螺套的设计系统，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述风电叶片根部预埋螺套的设计方法的步骤。
本发明实施例提供了一种风电叶片根部预埋螺套的设计方法、装置及系统，包括依据预设工况参数，建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型；对1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型；依据预设参数对1/225叶根有限元模型进行有限元计算，得到1/225叶根及预埋螺套的等效应变分布图和等效应力分布图；预设参数包括1/225叶根的材料参数；依据等效应变分布图和等效应力分布图对预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析，以便得出相对于预埋螺套的材料屈服强度与标准几何尺寸的校核结果。
可见，本申请在预设工况参数下建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型，并通过对1/225叶根三维实体模型进行有限元划分和对1/225叶根有限元模型进行有限元计算，能够得到1/225叶根及预埋螺套的等效应变分布图和等效应力分布图，根据等效应变分布图和等效应力分布图对预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析，以判断当前设定的强度、刚度及几何尺寸是否合理，以便设定出适用于预设工况下的预埋螺套的标准材料参数和标准几何尺寸。采用本申请中提供的方法对预埋螺套的各部分参数进行计算，不仅计算量小、计算速度快，分析计算结果更精确，而且能够降低产品研发成本、缩短实验周期，使设计出的预埋螺套的安全系数和域度更加合理，在一定程度上能够节约材料和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的一种风电叶片根部预埋螺套的设计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种叶根有限元模型的仿真示意图；
图3为图2中的预埋螺套有限元模型的仿真示意图；
图4为本发明实施例提供的一种风电叶片根部预埋螺套的设计装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种风电叶片根部预埋螺套的设计方法、装置及系统，在使用过程中计算量小、计算速度快、分析计算结果更精确，能够降低产品研发成本、缩短实验周期，使设计出的预埋螺套的安全系数和域度更加合理，在一定程度上能够节约材料和成本。
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。
请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种风电叶片根部预埋螺套的设计方法的流程示意图。该方法，包括：
S11：依据预设工况参数，建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型；
需要说明的是，由于叶根法兰连接螺套圆周均匀，预埋螺套的载荷施加及边界条件具有均匀分布性和连续性，叶根X、Y方向弯矩和Z方向轴向力只对圆周单个螺套产生轴向力作用，故为了降低计算量，避免重复计算，本申请取单个螺套1.6°(1/225)剖截面根端连接结构作为分析对象并建立有限元模型。
具体的，预先设定好预埋螺套的使用工况，根据预设工况参数建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型，在建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型时具体可以通过Proe软件进行建立。另外，本申请还可以根据预设工况参数选定用于制作预设螺套的材料为高强合金钢。
S12：对1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型；
可以理解的是，在对上述1/225叶根三维实体模型进行网格划分时，可以根据预设单元类型、网格形状、单元阶次及网格尺寸对1/225叶根三维实体模型进行网格划分。
具体的，可以通过Ansys workbench软件对网格的单元类型、网格形状、单元阶次及网格尺寸进行设定，其中，单元类型、网格形状、单元阶次及网格尺寸可以以预设螺套的重要部位的几何要素为依据进行设定，由于预埋螺套主要由螺纹段和非螺纹段两部分组成，故预设螺套的重要部位例如为预埋螺套螺纹与非螺纹连接台阶、内螺纹位置与外圆弧等部位。可以采用Ansys workbench软件依据预设单元类型、网格形状、单元阶次及网格尺寸对1/225叶根三维实体模型进行自动划分网格，从而形成1/225叶根有限元模型(如图2所示)，其中，预埋螺套的有限元模型如图3所示，在进行网格划分时具体可以使用Ansysworkbench软件中的SOLID95三维实体单元，该三维实体单元每个节点均有三个自由度，能够对网格进行精确划分。
另外，在进行网格划分时，网格划分的密度会影响计算结果的精度和计算规模，因此在确定网格数量时应权衡这两个因素。网格划分的疏密程度还受具体结构几何特征的影响，故对于预埋螺套螺纹与非螺纹连接台阶，网格划分相对复杂，容易出现应力集中的问题，此时预埋螺套螺纹与非螺纹连接台阶处网格划分应相对较密。具体的，对于预埋螺套螺纹与非螺纹连接台阶，在设定好预埋螺套的单元类型、网格形状和单元阶次，并确定好网格尺寸后，可以进行手动划分网格，其余部分使用自动网格划分。当然，具体划分方式本申请不做特殊限定，能实现本申请的目的即可。
其中，网格形状可以根据实际情况进行设定，只要便于计算即可，例如可以设为正四面体，网格尺寸可以为8mm～10mm，例如，内螺纹位置与外圆弧部位的网格尺寸可以为8mm，预埋螺套的其他部位的网格尺寸可以设定为10mm。当然，预埋螺套各个部位网格的具体大小可以根据实际情况进行确定。
S13：依据预设参数对1/225叶根有限元模型进行有限元计算，得到1/225叶根及预埋螺套的等效应变分布图和等效应力分布图；预设参数包括1/225叶根的材料参数；
需要说明的是，本实施例中的预设参数包括1/225叶根各部分的材料参数，还可以包括1/225叶根各部分的边界条件与受力载荷。
其中，1/225叶根的材料设定为高强合金钢，并且设定高强合金钢为42CrMoA高级优质钢，其材料参数为硫磷总含量优质钢≤0.025％，具有良好低温冲击性能，弹性模量为20Gpa，抗拉强度Rm≥1040Mpa，屈服强度Rp0.2≥940Mpa。
另外，本申请中的1/225叶根的边界条件与受力载荷具体可以满足：
1/225叶根的边界面两侧施加的边界条件为无摩擦连接；1/225叶根的轮毂外端面施加的边界条件为固定约束；根据风电机组风轮叶片设计标准，1/225叶根的叶根处施加115％外部弯矩(即极限工况弯矩值)；1/225叶根的紧固件与螺套的连接位置施加轴向预紧力。
S14：依据等效应变分布图和等效应力分布图对预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析，以便得出相对于预埋螺套的材料屈服强度与标准几何尺寸的校核结果。
具体的，可以根据等效应变分布图校核内螺纹前端部位的强度，根据等效应力分布图校核内螺纹前端部位的刚度，并根据等效应变分布图和等效应力分布图能够判断螺纹设计与台阶倒角大小的合理性。
具体的，可以依据等效应变分布图和等效应力分布图对预埋螺套的外圆弧、内螺纹倒角、螺纹段和非螺纹段的强度、刚度及几何尺寸进行分析，分析结果精确。
在本发明实施例中，采用有限元分析并借助有限元分析工具可大幅减少以往工程算法过多繁复计算过程，提高分析效率，并且在设计过程中可以充分论证外圆弧、内螺纹倒角以及螺纹段与非螺纹段同轴度因素。由于元物品在服役过程中，预埋螺栓除受轴向预紧拉伸作用外，还受拉伸与横向剪切交变及复合弯曲载荷，承受多种载荷作用，受力复杂，本申请中提供的方法能够更好契合叶根整体模拟受力情况，同时有效解决包含各向异性材料复杂结构影响问题。另外，在设计过程中同时通过对预设参数进行设置可以对预埋螺套的动态受力性能进行仿真评估，减少设计过程繁复试样试制过程，大幅降低设计成本，缩短设计周期，确保系统技术方案设计的可行性与先进性。
例如，某型叶片根部预埋螺套的主要参数为：
叶片根部厚度为100mm，预埋螺套几何尺寸为内螺纹大小为M36×4-6H×112mm。高强合金钢材料选为42CrMoA高级优质钢，材料中硫磷总含量优质钢≤0.025％，具有良好低温冲击性能，材料弹性模量为20Gpa，抗拉强度Rm≥1040Mpa，屈服强度Rp0.2≥940Mpa。
采用上述S11～S14所述的方法对预埋螺套进行优化设计，其中，通过上述网格划分方法形成的有限元模型的单元数可以为47177个，在1/225叶根的叶根处施加115％外部弯矩，即极限工况弯矩值具体为58.5Kn.m；在1/225叶根的紧固件与螺套的连接位置施加轴向预紧力为450KN。
通过有限元计算得到预埋螺套的等效应变分布图和等效应力分布图后，可以通过有限元计算得到应力和总变形分布表，本实施例针对预埋螺套螺纹和非螺纹连接台阶倒角变化，通过分析获得最小应力集中的计算值，详见表1。
表1
其中，表1为预埋螺套螺纹与非螺纹连接台阶处倒角变化得到的等效应力与应变值。
在步骤S14中，可以应用极限工况材料破坏准则对高强钢结构的安全性进行评价，以便在保证其他设计要素满足设计要求前提下，校核螺套内部重要受载荷位置是否满足设计的强度要求。根据表1中计算数据分析，根据等效应力值小于材料屈服强度，在设计尺寸确定为标准几何尺寸，且满足设计尺寸要求下，即当C1＝1.75mm，C2＝2mm时，预埋螺套等效应力与应变满足最优设计要求，从而确定出标准材料参数，进而基于该标准材料参数及对应的标准几何尺寸得到最适合预设使用工况的预埋螺套。
可见，本申请在预设工况参数下建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型，并通过对1/225叶根三维实体模型进行有限元划分和对1/225叶根有限元模型进行有限元计算，能够得到预埋螺套的等效应变分布图和等效应力分布图，根据等效应变分布图和等效应力分布图对预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析，以判断当前设定的强度、刚度及几何尺寸是否合理，以便设定出适用于预设工况下的预埋螺套的标准材料参数和标准几何尺寸。采用本申请中提供的方法对预埋螺套的各部分参数进行计算，不仅计算量小、计算速度块、分析计算结果更精确，并且能够降低产品研发成本、缩短实验周期，使设计出的预埋螺套的安全系数和域度更加合理，在一定程度上能够节约材料和成本。
在上述实施例的基础上，本发明实施例相应的提供了一种风电叶片根部预埋螺套的设计装置，具体参见图4。该装置包括：
建立模块1，用于依据预设工况参数，建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型；
划分模块2，用于对1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型；
计算模块3，用于依据预设参数对1/225叶根有限元模型进行有限元计算，得到1/225叶根及预埋螺套的等效应变分布图和等效应力分布图；预设参数包括1/225叶根的材料参数；
分析模块4，用于依据等效应变分布图和等效应力分布图对预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析，以便得出相对于预埋螺套的材料屈服强度与标准几何尺寸的校核结果。
可选的，划分模块2，具体用于依据预设单元类型、网格形状、单元阶次及网格尺寸对1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型。
需要说明的是，本发明实施例中的风电叶片根部预埋螺套的设计装置具有与上述实施例中的风电叶片根部预埋螺套的设计方法相同的有益效果。对于本申请中涉及到的风电叶片根部预埋螺套的设计方法的具体介绍请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。
在上述实施例的基础上，本发明实施例提供了一种风电叶片根部预埋螺套的设计系统，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序时实现如上述风电叶片根部预埋螺套的设计方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。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，在本说明书中，诸如术语“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，在其他实施例中实现。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 (8)
1.一种风电叶片根部预埋螺套的设计方法，其特征在于，包括：
依据预设工况参数，建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型；
对所述1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型；
依据预设参数对所述1/225叶根有限元模型进行有限元计算，得到1/225叶根及所述预埋螺套的等效应变分布图和等效应力分布图；所述预设参数包括所述1/225叶根的材料参数；
依据所述等效应变分布图和所述等效应力分布图对所述预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析，以便得出相对于所述预埋螺套的材料屈服强度与标准几何尺寸的校核结果。
2.根据权利要求1所述的风电叶片根部预埋螺套的设计方法，其特征在于，所述对所述1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根的有限元模型的过程包括：
依据预设单元类型、网格形状、单元阶次及网格尺寸对所述1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型。
3.根据权利要求2所述的风电叶片根部预埋螺套的设计方法，其特征在于，所述预设参数还包括所述1/225叶根的边界条件与受力载荷。
4.根据权利要求3所述的风电叶片根部预埋螺套的设计方法，其特征在于，所述边界条件包括：
所述1/225叶根的边界面两侧为无摩擦连接；
所述1/225叶根的叶根处的外部弯矩为115％；
所述1/225叶根的轮毂外端面为固定约束；
所述1/225叶根的紧固件与螺套的连接位置施加轴向预紧力。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的风电叶片根部预埋螺套的设计方法，其特征在于，所述依据所述等效应变分布图和所述等效应力分布图对所述预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析的过程包括：
依据所述等效应变分布图和所述等效应力分布图对所述预埋螺套的外圆弧、内螺纹倒角、螺纹段和非螺纹段的强度、刚度及几何尺寸进行分析。
6.一种风电叶片根部预埋螺套的设计装置，其特征在于，包括：
建立模块，用于依据预设工况参数，建立预埋螺套的1/225叶根三维实体模型；
划分模块，用于对所述1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型；
计算模块，用于依据预设参数对所述1/225叶根有限元模型进行有限元计算，得到1/225叶根及所述预埋螺套的等效应变分布图和等效应力分布图；所述预设参数包括所述1/225叶根的材料参数；
分析模块，用于依据所述等效应变分布图和所述等效应力分布图对所述预埋螺套的强度、刚度及几何尺寸进行分析，以便得出相对于所述预埋螺套的材料屈服强度与标准几何尺寸的校核结果。
7.根据权利要求6所述的风电叶片根部预埋螺套的设计装置，其特征在于，所述划分模块，具体用于依据预设单元类型、网格形状、单元阶次及网格尺寸对所述1/225叶根三维实体模型进行网格划分，得到1/225叶根有限元模型。
8.一种风电叶片根部预埋螺套的设计系统，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任意一项所述风电叶片根部预埋螺套的设计方法的步骤。
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