CN111814265A - 一种风电叶片质量计算方法 - Google Patents
一种风电叶片质量计算方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111814265A CN111814265A CN202010458989.6A CN202010458989A CN111814265A CN 111814265 A CN111814265 A CN 111814265A CN 202010458989 A CN202010458989 A CN 202010458989A CN 111814265 A CN111814265 A CN 111814265A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- blade
- main beam
- mass
- section
- unit length
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 64
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 28
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims description 13
- 239000011162 core material Substances 0.000 claims description 12
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 9
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 7
- 240000007182 Ochroma pyramidale Species 0.000 claims description 3
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 claims description 3
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 claims description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 claims description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 3
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 5
- 238000013441 quality evaluation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/06—Wind turbines or wind farms
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Wind Motors (AREA)
Abstract
本发明公开了一种风电叶片质量计算方法，包括步骤：1)构建叶片截面单位长度质量数据库；2)求解叶片截面单位长度质量分布；3)将从叶根到叶尖方向叶片截面单位长度质量分布进行积分，求解得到最终的叶片总质量。本发明采用FOCUS计算叶片质量，需要投入大量的时间和精力，而基于FOCUS计算得到的数据库质量进行插值求解，所需的时间可以忽略，给设计人员提供了方便快捷的叶片质量评估手段。基于数据库插值计算得到叶片质量，由于叶片气动程序不能计算叶片质量，通过此方法，可以对叶片质量进行快速计算，使得在设计阶段能同时对叶片质量进行快速评估。
Description
技术领域
本发明涉及可再生新能源风电叶片的技术领域，尤其是指一种风电叶片质量计算方法。
背景技术
在风电叶片研发的过程中，需要通过FOCUS计算叶片的质量和刚度。在进行风电叶片设计的过程中，需要对叶片模型进行反复迭代，而叶片质量作为一个重要的约束量，为了判定叶片质量是否超过设计值，设计人员调整一次叶片几何参数，都需要在FOCUS里面重新建模，并判定叶片质量是否符合要求。因此，一套方便快捷的叶片质量计算方法有助于提高叶片设计效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种科学可靠的风电叶片质量计算方法，可使设计人员对叶片的总质量进行快速评估。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风电叶片质量计算方法，包括以下步骤：
1)构建叶片截面单位长度质量数据库
以纤维增强型复合材料叶片为研究对象，其结构主要分为壳体、主梁、腹板，其中，主梁主要承受挥舞弯矩，壳体前缘和尾缘主要承受摆振弯矩，腹板主要承受横向剪切载荷，并与壳体的夹芯结构一起保持叶片的承载能力；
壳体为三明治夹芯结构，由表层玻璃钢FRP和芯材构成，并采用单轴向布、双轴向布和三轴向布，芯材由巴沙木或者PVC泡沫构成；单轴向布主要应用于主梁铺层，承受挥舞弯矩；双轴向布主要应用于腹板和蒙皮，三轴向布主要应用于增强层；
主梁采用单轴向布进行铺层，在主梁的内外表面存在蒙皮，蒙皮采用双轴向布进行铺层，其层数为3层；腹板铺层为夹芯结构，芯材为PVC泡沫，芯材的内外表面均为3层双轴向布；
从叶根到叶尖方向，叶片各截面的弦长、扭角、相对厚度、主梁宽度参数均对叶片截面单位长度质量有影响，而弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数对叶片质量的影响特别明显，因此，在构建数据库的时候，以弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数为变量构建数据库；
采用FOCUS计算叶片截面单位长度质量分布，在某叶片原始几何参数的基础上，构建叶片截面单位长度质量数据库，对叶片尺寸进行整体缩放，其变化范围为0.5～1.5倍，间距为0.1倍，且不同的比例因子对应不同的弦长，而缩放因子为1.0即原始模型翼型；主梁宽度分别为400mm～1000mm，间距为100mm；主梁铺层层数为10～110层，间距为10层；调用FOCUS程序脚本，计算不同主梁和叶片尺寸所对应的质量；通过弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数对叶片质量在数据库中进行搜索插值，得到叶片各截面的质量；
2)求解叶片截面单位长度质量分布
根据叶片截面的弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数插值求解叶片截面单位长度质量方式如下：
2.1)根据叶片截面的主梁宽度，选择主梁数据最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量；
2.2)在步骤2.1)筛选处理得到的数据的基础上，根据翼型相对厚度，筛选得到叶片截面最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量；
2.3)在步骤2.2)筛选处理得到的数据的基础上，分别求得弦长最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量；
2.4)在步骤2.3)筛选处理得到的数据的基础上，分别求得主梁铺层层数最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量；
3)求解叶片总质量
将从叶根到叶尖方向叶片截面单位长度质量分布进行积分，求解得到最终的叶片总质量。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、采用FOCUS计算叶片质量，需要投入大量的时间和精力，而基于FOCUS计算得到的数据库质量进行插值求解，所需的时间可以忽略，给设计人员提供了方便快捷的叶片质量评估手段。
2、基于数据库插值计算得到叶片质量，由于叶片气动程序不能计算叶片质量，通过此方法，可以对叶片质量进行快速计算，使得在设计阶段能同时对叶片质量进行快速评估。
综上，由于质量的查找仅通过简单的加权插值，因此计算时间的消耗可忽略不计，大幅缩短了优化设计所需的时间。此外，数据库的构建可以根据需求进行扩充。由于叶片截面质量采用风电叶片行业应用广泛的商用软件FOCUS产生，插值求解的质量具有较好的准确度。
附图说明
图1为叶片的弦长分布图。
图2为翼型相对厚度分布图。
图3为主梁铺层层数分布图。
图4为最大弦长位置截面结构图。
图5为缩放因子1.0、翼型相对厚度与弦长对应关系图。
图6为不同主梁铺层层数单位长度质量与相对厚度对应的关系图。
图7为单位长度质量分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
以85米风电叶片算例分析，叶片的弦长分布如图1所示，相对厚度分布如图2所示，主梁铺层层数分布如图3所示，主梁宽度为900毫米。
本实施例所提供的风电叶片质量计算方法，其具体情况如下：
1)构建叶片截面单位长度质量数据库
以纤维增强型复合材料叶片为研究对象，叶片铺层示意图如图4所示，其结构主要分为壳体、主梁、腹板等几个部分。其中，主梁主要承受挥舞弯矩，壳体前缘和尾缘主要承受摆振弯矩，腹板主要承受横向剪切载荷，并与壳体的夹芯结构一起保持叶片的承载能力。
壳体为三明治夹芯结构，由表层玻璃钢FRP和芯材构成，并采用单轴向布、双轴向布和三轴向布，芯材一般由巴沙木或者PVC泡沫构成。单轴向布主要应用于主梁铺层，承受挥舞弯矩。双轴向布主要应用于腹板和蒙皮，三轴向布主要应用于增强层。
主梁采用单轴向布进行铺层，在主梁的内外表面存在蒙皮，蒙皮采用双轴向布进行铺层，其层数为3层。腹板铺层为夹芯结构，芯材为PVC泡沫，芯材的内外表面均为3层双轴向布。其中，采用单轴向布EKU120、双轴向布EKB800、三轴向布EKT800、夹层泡沫等材料进行铺设。
从叶根到叶尖方向，叶片各截面的弦长、扭角、相对厚度、主梁宽度等参数均对叶片截面单位长度质量有影响。而弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数对叶片质量的影响特别明显。因此，在构建数据库的时候，以弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数为变量构建数据库。
采用FOCUS计算叶片质量分布，以某叶片弦长、扭角和翼型相对厚度分布，构建叶片质量数据库。对叶片尺寸进行整体缩放，其变化范围为0.5～1.5倍，间距为0.1倍，不同的比例因子，对应不同的弦长，缩放因子为1.0即原始模型翼型，其相对厚度与弦长对应关系如图5所示。主梁宽度分别为400mm～1000mm，间距为100mm，主梁铺层层数为10～110层，间距为10层，调用FOCUS程序脚本，计算不同主梁和叶片尺寸所对应的质量。通过弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数对叶片质量在数据库中进行搜索插值，得到叶片各截面的质量。取数据库中部分数据进行说明，不同主梁铺层层数单位长度质量与相对厚度对应的关系如图6所示。
2)求解叶片截面单位长度质量分布
根据叶片截面的弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数插值求解叶片截面单位长度质量方式如下：
2.1)根据叶片截面的主梁宽度，选择主梁数据最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量。如主梁宽度950mm，则选取900mm和1000mm主梁宽度在数据库中对应的数据，按照线性插值，得到主梁宽度为950mm对应的截面单位长度质量。
2.2)在上一步筛选处理得到的数据的基础上，根据翼型相对厚度，筛选得到叶片截面最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量。如翼型相对厚度为31％，筛选得到31.27％和30.1％翼型相对厚度在数据库中对应的数据，按照线性插值，得到翼型相对厚度为31％对应的截面单位长度质量。
2.3)在上一步筛选处理得到的数据的基础上，分别求得弦长最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量。如弦长3米，则根据弦长3.2米、2.88米对应的数据，按照线性插值，得到弦长3米对应的截面单位长度质量。
2.4)在上一步筛选处理得到的数据的基础上，分别求得主梁铺层层数最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量。如主梁铺层层数是65层，则根据主梁铺层层数是70层、60层对应的数据，按照线性插值，求得最终的截面单位长度质量。
3)求解叶片总质量
根据叶片截面的弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数插值求解得到的叶片截面单位长度质量如图7所示，将从叶根到叶尖方向叶片截面单位长度质量分布进行积分，积分求解得到叶片的总质量为32.03吨。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种风电叶片质量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建叶片截面单位长度质量数据库
以纤维增强型复合材料叶片为研究对象，其结构主要分为壳体、主梁、腹板，其中，主梁主要承受挥舞弯矩，壳体前缘和尾缘主要承受摆振弯矩，腹板主要承受横向剪切载荷，并与壳体的夹芯结构一起保持叶片的承载能力；
壳体为三明治夹芯结构，由表层玻璃钢FRP和芯材构成，并采用单轴向布、双轴向布和三轴向布，芯材由巴沙木或者PVC泡沫构成；单轴向布主要应用于主梁铺层，承受挥舞弯矩；双轴向布主要应用于腹板和蒙皮，三轴向布主要应用于增强层；
主梁采用单轴向布进行铺层，在主梁的内外表面存在蒙皮，蒙皮采用双轴向布进行铺层，其层数为3层；腹板铺层为夹芯结构，芯材为PVC泡沫，芯材的内外表面均为3层双轴向布；
从叶根到叶尖方向，叶片各截面的弦长、扭角、相对厚度、主梁宽度参数均对叶片截面单位长度质量有影响，而弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数对叶片质量的影响特别明显，因此，在构建数据库的时候，以弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数为变量构建数据库；
采用FOCUS计算叶片截面单位长度质量分布，在某叶片原始几何参数的基础上，构建叶片截面单位长度质量数据库，对叶片尺寸进行整体缩放，其变化范围为0.5～1.5倍，间距为0.1倍，且不同的比例因子对应不同的弦长，而缩放因子为1.0即原始模型翼型；主梁宽度分别为400mm～1000mm，间距为100mm；主梁铺层层数为10～110层，间距为10层；调用FOCUS程序脚本，计算不同主梁和叶片尺寸所对应的质量；通过弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数对叶片质量在数据库中进行搜索插值，得到叶片各截面的质量；
2)求解叶片截面单位长度质量分布
根据叶片截面的弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数插值求解叶片截面单位长度质量方式如下：
2.1)根据叶片截面的主梁宽度，选择主梁数据最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量；
2.2)在步骤2.1)筛选处理得到的数据的基础上，根据翼型相对厚度，筛选得到叶片截面最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量；
2.3)在步骤2.2)筛选处理得到的数据的基础上，分别求得弦长最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量；
2.4)在步骤2.3)筛选处理得到的数据的基础上，分别求得主梁铺层层数最接近的两组数据，并进行线性插值，求得截面单位长度质量；
3)求解叶片总质量
将从叶根到叶尖方向叶片截面单位长度质量分布进行积分，求解得到最终的叶片总质量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010458989.6A CN111814265B (zh) | 2020-05-27 | 2020-05-27 | 一种风电叶片质量计算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010458989.6A CN111814265B (zh) | 2020-05-27 | 2020-05-27 | 一种风电叶片质量计算方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111814265A true CN111814265A (zh) | 2020-10-23 |
| CN111814265B CN111814265B (zh) | 2023-12-22 |
Family
ID=72848604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010458989.6A Active CN111814265B (zh) | 2020-05-27 | 2020-05-27 | 一种风电叶片质量计算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111814265B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110042524A1 (en) * | 2008-02-21 | 2011-02-24 | Cornerstone Research Group | Passive adaptive structures |
| CN102588221A (zh) * | 2012-03-01 | 2012-07-18 | 华北电力大学 | 一种风电叶片主梁结构简化设计方法 |
| CN106055764A (zh) * | 2016-05-26 | 2016-10-26 | 华北电力大学（保定） | 基于三维壳有限元‑梁模型的风力机叶片位移计算方法 |
| US20180135593A1 (en) * | 2015-04-29 | 2018-05-17 | Universiti Brunei Darussalam | Low Reynolds Number Airfoil for a Wind Turbine Blade and Method Thereof |
| CN110486325A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-22 | 北京康姆特科技发展有限公司 | 一种复合材料轴流叶片主梁的设计方法 |
-
2020
- 2020-05-27 CN CN202010458989.6A patent/CN111814265B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110042524A1 (en) * | 2008-02-21 | 2011-02-24 | Cornerstone Research Group | Passive adaptive structures |
| CN102588221A (zh) * | 2012-03-01 | 2012-07-18 | 华北电力大学 | 一种风电叶片主梁结构简化设计方法 |
| US20180135593A1 (en) * | 2015-04-29 | 2018-05-17 | Universiti Brunei Darussalam | Low Reynolds Number Airfoil for a Wind Turbine Blade and Method Thereof |
| CN106055764A (zh) * | 2016-05-26 | 2016-10-26 | 华北电力大学（保定） | 基于三维壳有限元‑梁模型的风力机叶片位移计算方法 |
| CN110486325A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-22 | 北京康姆特科技发展有限公司 | 一种复合材料轴流叶片主梁的设计方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 刘峰;高猛;陈文光;李军向;: "风电叶片气动结构耦合设计及其程序开发", 玻璃纤维, no. 02 * |
| 吴蔚;王军;施璐;刘强;杨科;廖猜猜;: "基于FOCUS的大型风力机叶片结构分析与铺层改进", 水电能源科学, no. 10 * |
| 孔魁;周晓亮;程明哲;: "风电叶片建模及结构分析与测试", 机电工程技术, no. 05 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111814265B (zh) | 2023-12-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Barnes et al. | Structural optimisation of composite wind turbine blade structures with variations of internal geometry configuration | |
| US8864076B2 (en) | Elongate composite structural member | |
| EP2243702B1 (en) | Elongate composite structural members and improvements therein | |
| Tarfaoui et al. | Simulation of mechanical behavior and damage of a large composite wind turbine blade under critical loads | |
| CN111310252A (zh) | 一种风电叶片气动结构耦合设计方法 | |
| Peeters et al. | Effect of steering limit constraints on the performance of variable stiffness laminates | |
| Bagherpoor et al. | Structural optimization design of 2MW composite wind turbine blade | |
| Griffith et al. | Large blade manufacturing cost studies using the Sandia blade manufacturing cost tool and Sandia 100-meter blades | |
| CN112906154A (zh) | 一种结合快速成型与有限元仿真的机床立柱结构优化方法 | |
| CN102136019A (zh) | 一种复合材料结构强度分析方法 | |
| CN105500867A (zh) | 一种新型的无金属连接件的复合材料夹层板连接结构及其设计方法 | |
| CN113496060A (zh) | 一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法 | |
| Qu et al. | Automated fiber placement path generation method based on prospective analysis of path performance under multiple constraints | |
| Sun et al. | Research of large scale mechanical structure crack growth method based on finite element parametric submodel | |
| Tosh et al. | Fibre steering for a composite C-beam | |
| Ennis et al. | Economic competitiveness of pultruded fiber composites for wind turbine applications | |
| CN113297776B (zh) | 一种风力机叶片有限元建模与铺层方法 | |
| CN111814265B (zh) | 一种风电叶片质量计算方法 | |
| Kennedy et al. | Exact strip analysis and optimum design of aerospace structures | |
| CN114357826A (zh) | 一种复合材料整体纵横加筋框铺层设计方法 | |
| Cerriteño et al. | Reconstruction of the Francis 99 main runner blade using a hybrid parametric approach. | |
| CN117436344B (zh) | 一种基于参数化描述的风力机叶片结构优化设计方法 | |
| Barnes et al. | Evaluation of simplified loading models for finite element analysis of composite wind turbine blades | |
| Damiano et al. | Structural design of a multi-megawatt wind turbine blade with ONE SHOT BLADE® Technology | |
| Dan et al. | Buckling optimization of steering stiffeners for grid-stiffened composite structures |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |