CN109635414A - 一种风力发电机组风轮叶片有限元建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，包括：根据叶片设计铺层图创建叶片铺层参数表；将叶片所需材料参数添加到材料库中；采用三维建模软件构建叶片几何模型；通过叶片有限元建模插件将叶片层铺参数表和叶片几何模型导入到HyperMesh软件中；使用叶片有限元建模插件进行叶片几何模型初始化、叶片曲面切分、铺层参数表处理、网格划分、网格属性定义以创建有限元模型；将所述有限元模型导出成Ansys软件识别的cdb文件。本发明高效、操作简单、纠错能力强，对快速准确的建立风机叶片有限元模型具有重要的现实意义。

Description

一种风力发电机组风轮叶片有限元建模方法

技术领域

本发明涉及风机叶片结构设计领域，尤其涉及一种风力发电机组风轮叶片有限元建模方法。

背景技术

有限元法由于其高精度的特点，已成为叶片结构设计及优化的一个重要工具，而风机叶片复材的各向异性及在展向和弦向的变厚度，使得有限元建模过程变得极为复杂和困难，采用传统建模方法，即使一个很有经验的CAE工程师，也要数周甚至更长的时间完成有限元建模。为了优化叶片应力结构和降低叶片重量，需要建立大量有限元模型进行对比计算，使其达到最优解。采用传统建模方法，也成为了不可能完成的繁重工作。因此，一种能够快速建立风机叶片有限元模型的方法具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机组风轮叶片有限元建模方法。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，包括以下步骤：

(1)根据叶片设计铺层信息创建叶片铺层参数表；

(2)将叶片材料参数添加到有限元建模所需的材料库中；

(3)在三维建模软件中构建叶片几何模型；

(4)在HyperMesh软件中启动风机叶片有限元建模插件，运用所述的叶片有限元建模插件导入步骤(1)的铺层参数表和步骤(3)的几何模型，创建有限元模型，导出有限元模型；

(5)运用所述的风机叶片有限元建模插件加载极限载荷和疲劳分析参数，定义各分析工况的边界条件并创建相应的求解、后处理APDL文件，通过Ansys启动器加载有限元模型和APDL文件，进行求解和后处理。

其中，所述的叶片层铺参数表包含叶片部件、层铺材料名、层铺层数、层铺展向起点、层铺展向终点、层铺材料厚度，其从上到下对应叶片层铺顺序。

其中，将叶片部件分为一级部件、二级部件甚至更多下级部件，下级部件继承上一级的层铺。

其中，部件名称以字母、数字和“_”组成，若所述部件名称以数字结尾，经处理后被删除；所述的“_”为分隔符，但分隔符不限于“_”。

其中，所述的材料库只包含材料力学参数文件，力学参数包括密度、杨氏模量、泊松比、拉伸应力或应变、压缩应力或应变、剪切应力或应变、Puck常数。

其中，材料力学参数文件名称以“材料名称@厚度”的形式构成，如果材料厚度为非常数，则只用材料名称；所述的“@”为分隔符，但分隔符不限于“@”。

其中，采用三维建模软件构建叶片几何模型，所述几何模型结构包含壳体、主梁、腹板、芯材、后缘UD、前后缘粘结舌、结构胶。

其中，所述的风机叶片有限元建模插件是基于HyperMesh采用TCL/TK二次开发的，其包含了叶片有限元建模、求解、后处理功能。

其中，所述的风机叶片有限元建模插件包含了叶片建模、叶片模型修改及导出、静强度和稳定性、疲劳四个模块；所述的叶片建模模块包含叶片几何模型导入、叶片铺层参数表导入、叶片长度输入、网格尺寸定义、模型初始化、曲面切分、网格划分、网格属性定义、创建集合；所述的叶片模型修改及导出模块包含模型修改、模型导出；所述的静强度和稳定性包含创建静强度求解APDL文件、创建稳定性求解APDL文件、创建静强度后处理APDL文件；所述的疲劳模块包括马可夫矩阵切面位置表导入、马可夫矩阵分区角度、创建疲劳求解APDL文件、创建疲劳后处理APDL文件。

其中，上述步骤(4)的有限元包括：几何模型初始化、曲面切分、铺层参数表处理、网格划分、网格属性赋值。

其中，所述的几何模型初始化包含：通过叶根弧线将模型坐标系转换为叶片坐标系；在HyperMesh中对叶片曲面进行部件分组；耦合全部部件的曲面。

其中，所述的铺层参数表处理就是将步骤(1)叶片铺层参数表处理成独立的部件铺层表，所述的部件铺层表从左到右为对应铺层顺序的复材，从上到下为层铺的展向起止位置，值为复材层数或芯材、结构胶厚度，其中，为区别复材层数和芯材、结构胶的厚度，对厚度进行特殊标记处理。

其中，所述的叶片网格属性通过读取部件铺层表来定义，每个网格的铺层数量及各层材料一致，其中，设计中不存在的铺层厚度为0。

其中，所述的模型修改通过修改铺层参数表或者部件铺层表来快速调整模型，包括增加部件及其铺层、删除部件及其铺层、修改已有铺层。

其中，步骤(5)包括：

采用所述的风机叶片有限元建模插件加载静强度载荷或疲劳计算参数，定义静强度、IFF、稳定性、疲劳分析工况的边界条件并创建相应的解算APDL文件；

采用Ansys启动器加载所述的解算APDL文件，进行相应分析工况的批处理计算；

采用所述的风机叶片有限元建模插件创建静强度或疲劳分析工况的后处理APDL文件；

采用Ansys启动器加载所述的后处理APDL文件，进行静强度或疲劳结果数据提取。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，本发明公开了一种风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，包括：根据叶片设计铺层图创建叶片铺层参数表；将叶片所需材料参数添加到材料库中；采用三维建模软件构建叶片几何模型；通过叶片有限元建模插件将叶片层铺参数表和叶片几何模型导入到HyperMesh软件中；使用叶片有限元建模插件进行叶片几何模型初始化、叶片曲面切分、铺层参数表处理、网格划分、网格属性定义以创建有限元模型；将所述有限元模型导出成Ansys软件识别的cdb文件；运用风机叶片有限元建模插件加载载荷和疲劳分析参数，定义各分析工况的边界条件并创建相应的求解、后处理APDL文件，使用Ansys启动器加载叶片有限元模型及APDL文件，进行求解和后处理；修改叶片铺层参数表或其被处理后的部件参数表进行快速调整模型，以满足后期优化叶片应力结构的大量建模需求。本发明高效、操作简单、纠错能力强，对快速准确的建立风机叶片有限元模型具有重要的现实意义。

附图说明

图1本发明的风机叶片建模方法流程示意图；

图2本发明的叶片铺层参数表；

图3本发明的风机叶片有限元建模插件操作面板及HyperMesh界面；

图4部件铺层表及其内容。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个部件或者模块或特征与其他部件或者模块或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了部件或者模块在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的部件或者模块被倒置，则描述为“在其他部件或者模块或构造上方”或“在其他部件或者模块或构造之上”的部件或者模块之后将被定位为“在其他部件或者模块或构造下方”或“在其他部件或者模块或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该部件或者模块也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明基于HyperMesh使用TCL/TK二次开发了一套包含有限元建模、求解和后处理的插件，公开了一种方便、快捷进行风力发电机组叶片有限元建模方法，包括：

根据叶片设计铺层图创建叶片铺层参数表，所述的叶片铺层参数表包含叶片部件、层铺材料名、层铺层数，层铺展向起止位置、层铺材料厚度，其从上到下对应叶片层铺顺序。

进一步地，将所述的叶片部件分为一级部件、二级部件甚至更多下级部件，下级部件继承上一级的层铺。

进一步地，所述的部件名称以字母、数字和“_”组成，若所述部件名称以数字结尾经处理后被删除；所述的“_”为分隔符，但分隔符不限于“_”。

根据叶片有限元建模所需，将材料参数整理成文件添加到材料库中，材料参数包括密度、杨氏模量、泊松比、拉伸应力或应变、压缩应力或应变、剪切应力或应变、Puck常数；文件名以“材料名称@厚度”的形式构成，如果材料厚度为非常数，则只用材料名称；所述的“@”为分隔符，但分隔符不限于“@”。

在三维建模软件中构建叶片几何模型，所述的叶片几何模型包含壳体、主梁、腹板、芯材、后缘UD、前后缘粘结舌、结构胶。

在HyperMesh软件中启动风机叶片有限元建模插件，通过所述的叶片有限元建模插件导入铺层参数表和叶片几何模型，进行叶片几何模型初始化、曲面切分、网格划分、网格属性定义、导出有限元模型。

进一步地，所述的叶片有限元建模插件是基于HyperMesh采用TCL/TK二次开发的，其包含叶片有限元建模、求解、后处理功能。

进一步地，所述的风机叶片有限元建模插件包含了建模、模型修改及导出、静强度和稳定性、疲劳四个模块；其中，建模模块包含叶片几何模型导入、叶片铺层参数表导入、叶片长度输入、网格尺寸定义、叶片几何模型初始化、曲面切分、网格划分、网格属性定义、创建集合；模型修改及导出模块包含叶片有限元模型修改、叶片有限元模型导出；静强度和稳定性包含创建静强度求解APDL文件、创建稳定性求解APDL文件、创建静强度后处理APDL文件；疲劳模块包括马可夫矩阵切面位置表导入、马可夫矩阵分区角度、创建疲劳求解APDL文件、创建疲劳后处理APDL文件。

进一步地，叶片有限元建模为几何模型初始化、曲面切分、铺层参数表处理、网格划分、网格属性定义、创建集合。

进一步地，几何模型初始化包含：通过叶根弧线将模型坐标系转换为叶片坐标系；在HyperMesh中对叶片曲面进行部件分组；耦合全部部件的曲面。

进一步地，铺层参数表处理就是将叶片铺层参数表处理成独立的部件铺层表，所述的部件铺层表从左到右为对应铺层顺序的复材，从上到下为层铺的展向起止位置，值为复材层数或芯材、结构胶厚度，其中，为区别复材层数和芯材、结构胶的厚度，对厚度进行特殊标记。

进一步地，叶片网格属性通过读取部件铺层表来定义，每个网格的铺层数量及各层材料一致，其中，设计中不存在的铺层厚度为0。

进一步地，所述的模型修改通过修改铺层参数表或者部件铺层表来快速调整模型，包括增加部件及其铺层、删除部件及其铺层、修改已有铺层。

采用所述的风机叶片有限元建模插件加载静强度载荷或疲劳计算参数，定义静强度、IFF、稳定性、疲劳分析工况的边界条件并创建相应的解算APDL文件。

采用Ansys启动器加载所述的解算APDL文件，进行相应分析工况的批处理计算。

采用所述的风机叶片有限元建模插件创建静强度或疲劳分析工况的后处理APDL文件。

采用Ansys启动器加载所述的后处理APDL文件，进行静强度、疲劳结果数据提取。

如图1-图4所示，为本申请的具体实施例，具体包括：

(1)根据叶片设计铺层图创建叶片铺层参数表，所述铺层参数表从左到右依次为一级部件、二级部件、层铺材料名、层铺层数、层铺展向起点、层铺展向终点、层铺材料厚度，其中，部件名称以字母、数字和“_”组成；所述铺层参数表从上到下为铺层顺序。

(2)根据叶片有限元建模所需，将材料参数整理成文件添加到材料库中，材料参数包括密度、杨氏模量、泊松比、拉伸应力或应变、压缩应力或应变、剪切应力或应变、Puck常数；文件名以“材料名称@厚度”的形式构成，如果材料厚度为非常数，则只用材料名称。

(3)在三维建模软件中创建叶片几何模型，所述几何模型结构包含壳体、主梁、腹板、芯材、后缘UD、前后缘粘结舌、结构胶。

(4)在HyperMesh软件中，单击菜单Preferences->User Profiles，选择Ansys单选框，采用Ansys模板进行建模。

(5)在HyperMesh软件中，单击菜单Blade FEM->Blade_FEM启动风机叶片有限元建模插件，插件标签页出现在HyperMesh显示区右侧。

(6)在插件的Modeling模块中，单击Geometry后的->选择外部叶片几何模型，再点击“Import Geom”按钮，导入叶片几何模型。

(7)在插件的Modeling模块中，单击Blade Layup后的->选择叶片铺层参数表。

(8)在插件的Modeling模块中，在Length(mm)：的文本框中输入叶片长度，在MeshSize(mm)：的文本框中定义网格尺寸。

(9)在插件的Modeling模块中，单击“Component Initial”按钮进行几何模型初始化。

(10)按照提示栏的提示，在HyperMesh显示区选择叶根弧线，单击显示区下方面板的“proceed”按钮，将坐标系转换为叶片坐标系。

(11)按照提示栏的提示，在HyperMesh显示区部件的曲面，单击显示区下方面板的“proceed”按钮进行创建，重复此步直到程序进行曲面耦合处理。

(12)在插件的Modeling模块中，单击“Geom Clean”按钮，进行叶片曲面切分。

(13)在插件的Modeling模块中，单击“Mesh”按钮，进行网格划分及铺层属性赋值。

(14)在插件的Modeling模块中，单击“Create set”按钮，创建集合为后面加载和后处理作准备。

(15)在Utility标签页的Model Info模块中，点击“Component Manage”进行网格属性转换。

(16)在插件的Adjust&Export模块中，单击File后的->填写保存文件的路径名称，点击“Export”按钮导出Ansys模型文件。

(17)在插件的Static&Stability模块中，单击Static Load后的->选择叶片极限载荷表，点击“Static Batch inp”按钮定义静强度和IFF工况的边界条件并创建解算APDL文件，单击“Stability Batch inp”按钮定义稳定性工况的边界条件并创建解算APDL文件；在插件的Fatigue模块中，单击Markov Section后的->选择马可夫矩阵截面位置表，在District Angle后的文本框中输入马可夫矩阵分区角度，再点击“Fatigue Batch inp”定义疲劳工况边界条件并创建解算APDL文件。

(18)启动Ansys启动器，在批处理仿真环境下，加载第17步生成是解算APDL文件进行求解。

(19)在插件的Static&Stability模块中，单击“Get Static data”按钮创建静强度后处理APDL文件；在插件的Fatigue模块中，单击“Get Fatigue data”按钮创建疲劳后处理APDL文件。

(20)启动Ansys启动器，在批处理仿真环境下，加载第18步生成是后处理APDL文件进行结果文件的数据提取。

(21)编辑第1步的铺层参数表或其被处理后的部件铺层表，返回插件的Adjust&Export模块，单击“Adjust Layup”按钮进行快速调整模型。

以上所述仅是本实用发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，包括以下步骤：

(1)根据叶片设计铺层信息创建叶片铺层参数表；

(2)将叶片材料参数添加到有限元建模所需的材料库中；

(3)在三维建模软件中构建叶片几何模型；

(4)在HyperMesh软件中启动风机叶片有限元建模插件，运用所述的叶片有限元建模插件导入步骤(1)的铺层参数表和步骤(3)的几何模型，创建有限元模型，导出有限元模型；

(5)运用所述的风机叶片有限元建模插件加载极限载荷和疲劳分析参数，定义各分析工况的边界条件并创建相应的求解、后处理APDL文件，通过Ansys启动器加载有限元模型和APDL文件，进行求解和后处理。

2.如权利要求1所述的风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，其特征在于，所述的叶片铺层参数表包含叶片部件、层铺材料名、层铺层数、层铺展向起点、层铺展向终点、层铺材料厚度，其从上到下对应叶片层铺顺序。

3.如权利要求2所述的风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，其特征在于，将叶片部件分为一级部件、二级部件甚至更多下级部件，下级部件继承上一级的层铺。

4.如权利要求3所述的风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，其特征在于，部件名称以字母、数字和“_”组成，若所述部件名称以数字结尾，经处理后被删除；所述的“_”为分隔符，但分隔符不限于“_”。

5.如权利要求1所述的风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，其特征在于，所述的材料库只包含材料力学参数文件，力学参数包括密度、杨氏模量、泊松比、拉伸应力或应变、压缩应力或应变、剪切应力或应变、Puck常数。

6.如权利要求5所述的风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，其特征在于，材料力学参数文件名称以“材料名称@厚度”的形式构成，如果材料厚度为非常数，则只用材料名称；所述的“@”为分隔符，但分隔符不限于“@”。

7.如权利要求1所述的风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，其特征在于，采用三维建模软件构建叶片几何模型，所述几何模型结构包含壳体、主梁、腹板、芯材、后缘UD、前后缘粘结舌、结构胶。

8.如权利要求1所述的风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，其特征在于，所述的风机叶片有限元建模插件是基于HyperMesh采用TCL/TK二次开发的，其包含了叶片有限元建模、求解、后处理功能。

9.如权利要求8所述的风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，其特征在于，所述的风机叶片有限元建模插件包含了叶片建模、叶片模型修改及导出、静强度和稳定性、疲劳四个模块；所述的叶片建模模块包含叶片几何模型导入、叶片铺层参数表导入、叶片长度输入、网格尺寸定义、模型初始化、曲面切分、网格划分、网格属性定义、创建集合；所述的叶片模型修改及导出模块包含模型修改、模型导出；所述的静强度和稳定性包含创建静强度求解APDL文件、创建稳定性求解APDL文件、创建静强度后处理APDL文件；所述的疲劳模块包括马可夫矩阵切面位置表导入、马可夫矩阵分区角度、创建疲劳求解APDL文件、创建疲劳后处理APDL文件。

10.如权利要求1所述的风力发电机组风轮叶片有限元建模方法，其特征在于，所述步骤(4)的有限元包括：

进行几何模型初始化，选取叶根弧线判断坐标系并将其转化为叶片坐标系，根据叶片的部件对曲面进行分组并耦合；

根据设置的网格尺寸对几何模型的曲面进行展向切分；

将步骤(1)叶片铺层参数表处理成独立的部件铺层表，所述的部件铺层表从左到右为对应铺层顺序的复材，从上到下为层铺的展向起止位置，值为复材层数或芯材、结构胶厚度，其中，为区别复材层数和芯材、结构胶的厚度，对厚度进行特殊标记处理；

根据部件铺层表定义网格的铺层层厚、铺层材料、纤维方向，本发明中定义网格的铺层材料、纤维方向及总层数一致，层厚为设计的厚度，其中，设计中不存在的铺层厚度为0。