CN113297776B - 一种风力机叶片有限元建模与铺层方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，包括以下步骤：()导出各个翼型截面的数据点；()将数据点导入有限元软件中，连接数据点形成翼型截面线，将各个翼型截面线连接起来，形成单元面并对单元面进行编号，多个单元面互相连接构成叶片初步的三维模型；()计算铺层材料的表观材料特性；()根据叶片的单元面编号进行复合材料铺层，构建完成风力机叶片最终的三维模型；()以单元面为单位对叶片进行映射划分单元网格，进行有限元分析；本发明的风力机叶片有限元建模与铺层方法能够准确计算出截面复合材料的特性，在复杂的三维风力机叶片模型中划分出精细的简单的网格，不仅缩短了数值计算时间，而且还提高了计算精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力机叶片的设计方法，具体涉及一种风力机叶片有限元建模与铺层方法。
背景技术
目前，国内在风力机叶片的结构设计方面，还没有系统的设计模型和方法，只有针对某一方面的模型，这些模型还无法归纳成一套可靠的系统设计模型。因为风力机叶片截面形状复杂，特别是在翼展方向每个截面的弦长、扭角、翼型均不同，复合纤维铺层机构复杂，其性能随不同的铺层角度、铺层顺序和铺层厚度而变化的，使得叶片设计变得极为复杂和困难。
为了解决上述问题，申请公布号为CN 110298097 A的发明专利申请公布了一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，该方法如下：计算铺层面积，总结叶片IFF系数与铺层关系式，叶片铺层与重量关系式；进行纤维布铺层优化设计。该方法能够减少铺层层数，减轻叶片质量，简化了设计与校核，但是上述叶片铺层设计方法仍然存在以下问题：
1、设计过程中只划分了腹板，壳体，梁帽，其中材料属性在仿真模拟中数值不够精确。
2、叶片模型网格划分复杂，划分网格精确度不高，叶片的模型的网格化在数值模拟过程中非常耗时，同时网格质量情况决定着数值模拟结果的精确程度，甚至影响数值导致无法收敛。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，该方法能够准确计算出每个截面复合材料的刚度与强度，并且在复杂的三维风力机叶片模型中划分出精细整齐的网格，网格简单，不仅缩短了数值计算时间，而且还提高了计算精度。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，包括以下步骤：
(1)导出各个翼型截面的数据点；
(2)将数据点导入有限元软件中，连接数据点形成翼型截面线，用线段将各个翼型截面线连接起来，形成单元面并对单元面进行编号，多个单元面互相连接构成叶片初步的三维模型；
(3)计算铺层材料的表观材料特性；
(4)根据叶片的单元面编号进行复合材料铺层，构建完成风力机叶片最终的三维模型；
(5)以单元面为单位对叶片进行映射划分四边形的单元网格，然后进行有限元分析。
优选地，在步骤(1)中，包括以下步骤：
S1-1、通过翼型设计软件插值计算并导出各个翼型截面的二维坐标；
S1-2、通过转换公式，将二维坐标转化为三维坐标；
S1-3、将三维坐标数据保存为TXT文件。
优选地，在S1-2中，翼型坐标变换公式为：
(x1，y1)＝(x0，y0)-(X，Y)
x2＝x1×c×cos θ-y1×c×sin θ
y2＝y1×c×cos θ+x1×c×sin θ
z2＝r
式中，(x0，y0)为原始翼型坐标，(X，Y)为变桨轴与弦线的交点坐标，(x2，y2，z2)为坐标变换后的三维翼型坐标，c为各翼型截面的弦长，θ为各翼型截面的扭角，r为翼型截面到叶根的距离；
对于后掠式叶片，要根据积叠线形状进行调整，根据后掠式叶片积叠线公式可知，积叠线设计为二次曲线，计算出各翼型截面沿叶片展向方向的平移量，计算公式为：
x3＝x2×cosα+Δx
y3＝y2
z3＝z2-x2×sinα
式中，Δx为各个翼型截面x方向的平移量，α为各个翼型截面随着积叠线变化的偏移角，a为线性项系数，b为二次项系数，(x3，y3，z3)为后掠叶片坐标变换后的三维翼型坐标。
优选地，在步骤(2)中，包括以下步骤：
S2-1、将保存了翼型数据点信息的TXT文件导入有限元软件中；
S2-2、通过有限元软件命令连接各截面翼型点成为翼型截面线；
S2-3、划分翼型截面为六个区域，分别是前缘、前缘夹芯区、梁帽、后缘夹芯区、后缘增强区以及腹板；
S2-4、通过有限元软件命令用线段连接各翼型截面线形成单元面，多个单元面互相连接构成叶片初步的三维模型，完成风力机叶片初步的三维建模；单元面的编号顺序分别按照前缘、前缘夹芯区、梁帽、后缘夹芯区、后缘增强区以及腹板排列，按照单元面编号区分铺层时的各个区域。
优选地，在步骤(3)中，包括以下步骤：
S3-1、设定铺层材料，铺层材料分别有UNIAX、BIX、TRIAX以及BALSA，其中，UNIAX为单轴向材料，BIX为双轴向材料，TRIAX为三轴向材料，BALSA为芯材料；叶片截面的前缘、前缘夹芯区、梁帽，后缘夹芯区以及后缘增强区是由TRIAX、UNIAX以及BALSA材料按照不同方向堆叠而成，而叶片的腹板是由BIX、BALSA材料堆叠而成；
S3-2、结合经典的合层板理论使用微力学方程，得出薄片UNIAX、BIX、TRIAX以及BALSA材料的表观材料特性，其中，
单向薄板在纤维方向上的杨氏模量计算公式为：
E1＝Ef1Vf+EmVm
式中，Ef1为纤维的纵向杨氏模量，Em为为基体的杨氏模量，Vf为纤维的体积分数，Vm为基体的体积分数；
单向薄板在纤维横向上的表观杨氏模量计算如下：
式中，Ef2为纤维的横向杨氏模量；
单向薄板的表观面内剪切模量计算公式为：
式中，Gf12为纤维的面内剪切模量，Gm为基体的剪切模量；
单向薄板的表观面外剪切模量计算公式为：
式中，Gf23为纤维的面内剪切模量；
单向薄板的表观面内泊松比计算公式为：
v12＝vf12Vf+vmVm
式中，vf12为纤维的泊松比，vm为基体的泊松比；
单向薄板的表观面外泊松比计算公式为：
单向薄板的表观质量密度计算公式为：
ρ＝ρfVf+pmVm
式中，ρf是纤维的质量密度，ρm是矩阵的质量密度；
最后，单向薄板的剩余弹性性质由对称性质决定：
E3＝E2
G13＝G12
v13＝ν12
根据上述公式可以分别计算出薄片UNIAX、BIX、TRIAX与BALSA等材料的表观材料特性。
优选地，在步骤(4)中，包括以下步骤：
S4-1、采用SHELL181单元模拟复合材料叶片的铺层结构；
S4-2、根据前缘、前缘夹芯区、梁帽、后缘夹芯区、后缘增强区以及腹板六个不同区域的铺层材料厚度，层数与角度，使用有限元软件命令语言编写循环代码，以弦线为标准将翼型分为上下两部分进行对称铺层。
优选地，步骤S4-2中，包括以下步骤：
S4-2-1、读取风力机叶片三维模型数据；
S4-2-2、进入前处理模式，建立m个存储复合材料层数的1×n数组，其中n为叶片的总面数，由于材料对称堆叠，因此第一层层数等于第m层，第二层层数等于第m-1层，第三层层数等于第m-2层；由于每一层的单层厚度与总厚度是确定的，因此可以计算出每一层材料的层数；
S4-2-3、读取记录m个层数TXT格式的数据文件，将读取的数据存储在步骤S4-2-2创建的数组中，建立壳单元shell181，单元编号为1；
S4-2-4、写入UNIAX、BIX、TRIAX与BALSA材料的三个方向的弹性模量、剪切模量、泊松比以及质量密度，根据材料输入顺序给材料编号为1、2、3、4：
S4-2-5、定义截面属性，铺层循环开始，先进行外循环，初始化循环参数i＝1，步长为1，i＝＝n时循环结束，其中n为叶片的总面数；接着进行内循环，首先，对第一层进行铺层循环，初始化循环参数j＝1，步长为1，j＝m时循环结束，其中m为第一层层数，循环输入单层厚度，材料编号，铺层角度，积分点数量；然后，对第二层进行铺层循环，初始化循环参数k＝1，步长为1，k＝o时循环结束，其中o为第二层层数，继续循环输入单层厚度，铺层角度，材料编号，积分点数量；接着，依次类推，对剩下的层数进行铺层循环，由于铺层材料是对称铺层，因此实际上循环代码第一层与第m层相同，第二层与第m-1层相同，第三层与第m-2层相同。
优选地，在步骤(5)中，首先，赋予翼型截面的属性，选择单元编号为1，接着，以单元面为单位通过映射划分四边形的单元网格，最后，通过调整划分的网格数量来控制单元数量，以便进行有限元计算分析。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1、本发明的风力机叶片有限元建模与铺层方法通过合层板原理可以准确的计算出复合材料的刚度和强度。
2、本发明的风力机叶片有限元建模与铺层方法通过划分单元面，而且划分的是四边形网格，避免了大小不均匀的三角形网格；能够在复杂的叶片表面上轻松采用扫掠划分出均匀的单元，在减少网格数量的同时，获得较高的精度，缩短计算时间。
3、本发明直接利用有限元软件内置的命令语言进行建模、四边形面划分网格以及铺层，减少了数据传输时因压缩数据导致的信息缺失问题；按照每个面为单位进行铺层，不仅精度高，而且容易控制角度以及厚度。
附图说明
图1为风力机叶片三维模型连接线段的示意图。
图2为风力机叶片翼型截面区域分布示意图。
图3为有限元软件命令语言铺层代码流程图。
图4为风力机叶片网格划分的示意图。
图5为本发明的风力机叶片有限元建模与铺层方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图1-图5，本发明的一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，包括以下步骤：
(1)导出各个翼型截面的数据点；
(2)将数据点导入有限元软件中，连接数据点形成翼型截面线，用线段将各个翼型截面线连接起来，形成单元面并对单元面进行编号，多个单元面互相连接构成叶片初步的三维模型；
(3)计算铺层材料的表观材料特性；
(4)根据叶片的单元面编号进行复合材料铺层，构建完成风力机叶片最终的三维模型；
(5)以单元面为单位对叶片进行映射划分四边形的单元网格，然后进行有限元分析。
本实施例中，步骤(1)包括以下步骤：
S1-1、通过翼型设计软件插值计算并导出各个翼型截面的二维坐标；
S1-2、通过转换公式，将二维坐标转化为三维坐标；
S1-3、将三维坐标数据保存为TXT文件。
本实施例中，在S1-2中，由于翼型设计软件导出的各个翼型二维数据的弦长都默认设置为1，因此在建立三维模型前要将每一个翼型截面都按各自弦长等比例放大；由于翼型截面的扭角随着叶片展向方向旋转，因此可以将翼型用变换公式数据进行处理，其中，翼型坐标变换公式为：
(x1，y1)＝(xo，y0)-(X，Y)
x2＝x1×c×cos θ-y1×c×sin θ
y2＝y1×c×cos θ+x1×c×sin θ
z2＝r
式中，(x0，y0)为原始翼型坐标，(X，Y)为变桨轴与弦线的交点坐标，(x2，y2，z2)为坐标变换后的三维翼型坐标，c为各翼型截面的弦长，θ为各翼型截面的扭角，r为翼型截面到叶根的距离；
对于后掠式叶片，要根据积叠线形状进行调整，根据后掠式叶片积叠线公式可知，积叠线设计为二次曲线，计算出各翼型截面沿叶片展向方向的平移量，计算公式为：
x3＝x2×cosα+Δx
y3＝y2
z3＝z2-x2×sin α
式中，Δx为各个翼型截面x方向的平移量，α为各个翼型截面随着积叠线变化的偏移角，a为线性项系数，b为二次项系数，(x3，y3，z3)为后掠叶片坐标变换后的三维翼型坐标。
本实施例中，参见图2，步骤(2)包括以下步骤：
S2-1、将保存了翼型数据点信息的TXT文件导入有限元软件中；
S2-2、通过有限元软件命令连接各截面翼型点成为翼型截面线；
S2-3、划分翼型截面为六个区域，分别是前缘1、前缘夹芯区2、梁帽3、后缘夹芯区4、后缘增强区5以及腹板6；
S2-4、通过有限元软件命令用线段连接各翼型截面线形成单元面，多个单元面互相连接构成叶片初步的三维模型，完成风力机叶片初步的三维建模；单元面的编号顺序分别按照前缘1、前缘夹芯区2、梁帽3、后缘夹芯区4、后缘增强区5以及腹板6排列，按照单元面编号区分铺层时的各个区域。
本实施例中，参见图2，步骤(3)包括以下步骤：
S3-1、设定铺层材料，铺层材料分别有UNIAX、BIX、TRIAX以及BALSA，其中，UNIAX为单轴向材料，BIX为双轴向材料，TRIAX为三轴向材料，BALSA为芯材料；叶片截面的前缘1、前缘夹芯区2、梁帽3，后缘夹芯区4以及后缘增强区5是由TRIAX、UNIAX以及BALSA材料按照不同方向堆叠而成，而叶片的腹板6是由BIX、BALSA材料堆叠而成；
S3-2、结合经典的合层板理论使用微力学方程，得出薄片UNIAX、BIX、TRIAX以及BALSA材料的表观材料特性，其中，
单向薄板在纤维方向上的杨氏模量计算公式为：
E1＝Ef1Vf+EmVm
式中，Ef1为纤维的纵向杨氏模量，Em为为基体的杨氏模量，Vf为纤维的体积分数，Vm为基体的体积分数；
单向薄板在纤维横向上的表观杨氏模量计算如下：
式中，Ef2为纤维的横向杨氏模量；
单向薄板的表观面内剪切模量计算公式为：
式中，Gf12为纤维的面内剪切模量，Gm为基体的剪切模量；
单向薄板的表观面外剪切模量计算公式为：
式中，Gf23为纤维的面内剪切模量；
单向薄板的表观面内泊松比计算公式为：
v12＝vf12Vf+vmVm
式中，vf12为纤维的泊松比，vm为基体的泊松比；
单向薄板的表观面外泊松比计算公式为：
单向薄板的表观质量密度计算公式为：
ρ＝ρfVf+ρmVm
式中，ρf是纤维的质量密度，ρm是矩阵的质量密度；
最后，单向薄板的剩余弹性性质由对称性质决定：
E3＝E2
G13＝G12
v13＝v12
根据上述公式可以分别计算出薄片UNIAX、BIX、TRIAX与BALSA等材料的表观材料特性。
本实施例中，步骤(4)包括以下步骤：
S4-1、采用SHELL181单元模拟复合材料叶片的铺层结构；
S4-2、根据前缘1、前缘夹芯区2、梁帽3、后缘夹芯区4以及后缘增强区5五个不同区域的铺层材料厚度，层数与角度，使用有限元软件命令语言编写循环代码，以弦线为标准将翼型分为上下两部分进行对称铺层。
本实施例中，步骤S4-2包括以下步骤：
S4-2-1、读取风力机叶片三维模型数据；
S4-2-2、进入前处理模式，建立m个存储复合材料层数的1×n数组，其中n为叶片的总面数，由于材料对称堆叠，因此第一层层数等于第m层，第二层层数等于第m-1层，第三层层数等于第m-2层；由于每一层的单层厚度与总厚度是确定的，因此可以计算出每一层材料的层数；
S4-2-3、读取记录m个层数TXT格式的数据文件，将读取的数据存储在步骤S4-2-2创建的数组中，建立壳单元shell181，单元编号为1；
S4-2-4、写入UNIAX、BIX、TRIAX与BALSA材料的三个方向的弹性模量、剪切模量、泊松比以及质量密度，根据材料输入顺序给材料编号为1、2、3、4；
S4-2-5、定义截面属性，铺层循环开始，先进行外循环，初始化循环参数i＝l，步长为1，i＝n时循环结束，其中n为叶片的总面数；接着进行内循环，首先，对第一层进行铺层循环，初始化循环参数j＝1，步长为1，j＝m时循环结束，其中m为第一层层数，循环输入单层厚度，材料编号，铺层角度，积分点数量；然后，对第二层进行铺层循环，初始化循环参数k＝1，步长为1，k＝o时循环结束，其中o为第二层层数，继续循环输入单层厚度，铺层角度，材料编号，积分点数量；接着，依次类推，对剩下的层数进行铺层循环，由于铺层材料是对称铺层，因此实际上循环代码第一层与第m层相同，第二层与第m-1层相同，第三层与第m-2层相同。
本实施例的步骤(5)包括以下步骤：首先，赋予翼型截面的属性，选择单元编号为1，接着，以单元面为单位通过映射划分四边形的单元网格，最后，通过调整划分的网格数量来控制单元数量，以便进行有限元计算分析。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)导出各个翼型截面的数据点，包括以下步骤：
S1-1、通过翼型设计软件插值计算并导出各个翼型截面的二维坐标；
S1-2、通过转换公式，将二维坐标转化为三维坐标；
其中，坐标转换公式为：
(x1，y1)＝(x0，y0)-(X，Y)
x2＝x1×c×cosθ-y1×c×sinθ
y2＝y1×c×cosθ+x1×c×sinθ
z2＝r
式中，(x0，y0)为原始翼型坐标，(X，Y)为变桨轴与弦线的交点坐标，(x2，y2，z2)为坐标变换后的三维翼型坐标，c为各翼型截面的弦长，θ为各翼型截面的扭角，r为翼型截面到叶根的距离；
对于后掠式叶片，要根据积叠线形状进行调整，根据后掠式叶片积叠线公式可知，积叠线设计为二次曲线，计算出各翼型截面沿叶片展向方向的平移量，计算公式为：
x3＝x2×cosα+Δx
y3＝y2
z3＝z2-x2×sinα
式中，Δx为各个翼型截面x方向的平移量，α为各个翼型截面随着积叠线变化的偏移角，a为线性项系数，b为二次项系数，(x3，y3，z3)为后掠叶片坐标变换后的三维翼型坐标；
S1-3、将三维坐标数据保存为TXT文件；
(2)将数据点导入有限元软件中，连接数据点形成翼型截面线，用线段将各个翼型截面线连接起来，形成单元面并对单元面进行编号，多个单元面互相连接构成叶片初步的三维模型；
(3)计算铺层材料的表观材料特性；
(4)根据叶片的单元面编号进行复合材料铺层，构建完成风力机叶片最终的三维模型；
(5)以单元面为单位对叶片进行映射划分四边形的单元网格，然后进行有限元分析。
2.根据权利要求1所述的一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，其特征在于，在步骤(2)中，包括以下步骤：
S2-1、将保存了翼型数据点信息的TXT文件导入有限元软件中；
S2-2、通过有限元软件命令连接各截面翼型点成为翼型截面线；
S2-3、划分翼型截面为六个区域，分别是前缘、前缘夹芯区、梁帽、后缘夹芯区、后缘增强区以及腹板；
S2-4、通过有限元软件命令用线段连接各翼型截面线形成单元面，多个单元面互相连接构成叶片初步的三维模型，完成风力机叶片初步的三维建模；单元面的编号顺序分别按照前缘、前缘夹芯区、梁帽、后缘夹芯区、后缘增强区以及腹板排列，按照单元面编号区分铺层时的各个区域。
3.根据权利要求2所述的一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，其特征在于，在步骤(3)中，包括以下步骤：
S3-1、设定铺层材料，铺层材料分别有UNIAX、BIX、TRIAX以及BALSA，其中，UNIAX为单轴向材料，BIX为双轴向材料，TRIAX为三轴向材料，BALSA为芯材料；叶片截面的前缘、前缘夹芯区、梁帽，后缘夹芯区以及后缘增强区是由TRIAX、UNIAX以及BALSA材料按照不同方向堆叠而成，而叶片的腹板是由BIX、BALSA材料堆叠而成；
S3-2、结合经典的合层板理论使用微力学方程，得出薄片UNIAX、BIX、TRIAX以及BALSA材料的表观材料特性，其中，
单向薄板在纤维方向上的杨氏模量计算公式为：
E1＝Ef1Vf+EmVm
式中，Ef1为纤维的纵向杨氏模量，Em为基体的杨氏模量，Vf为纤维的体积分数，Vm为基体的体积分数；
单向薄板在纤维横向上的表观杨氏模量计算如下：
式中，Ef2为纤维的横向杨氏模量；
单向薄板的表观面内剪切模量计算公式为：
式中，Gf12为纤维的面内剪切模量，Gm为基体的剪切模量；
单向薄板的表观面外剪切模量计算公式为：
式中，Gf23为纤维的面内剪切模量；
单向薄板的表观面内泊松比计算公式为：
v12＝vf12Vf+vmVm
式中，vf12为纤维的泊松比，vm为基体的泊松比；
单向薄板的表观面外泊松比计算公式为：
单向薄板的表观质量密度计算公式为：
ρ＝ρfVf+ρmVm
式中，ρf是纤维的质量密度，ρm是矩阵的质量密度；
最后，单向薄板的剩余弹性性质由对称性质决定：
E3＝E2
G13＝G12
v13＝v12
根据上述公式可以分别计算出薄片UNIAX、BIX、TRIAX与BALSA等材料的表观材料特性。
4.根据权利要求3所述的一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，其特征在于，在步骤(4)中，包括以下步骤：
S4-1、采用SHELL181单元模拟复合材料叶片的铺层结构；
S4-2、根据前缘、前缘夹芯区、梁帽、后缘夹芯区、后缘增强区与腹板六个不同区域的铺层材料厚度，层数与角度，使用有限元软件命令语言编写循环代码，以弦线为标准将翼型分为上下两部分进行对称铺层。
5.根据权利要求4所述的一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，其特征在于，步骤S4-2中，包括以下步骤：
S4-2-1、读取风力机叶片三维模型数据；
S4-2-2、进入前处理模式，建立m个存储复合材料层数的1×n数组，其中n为叶片的总面数，由于材料对称堆叠，因此第一层层数等于第m层，第二层层数等于第m-1层，第三层层数等于第m-2层；由于每一层的单层厚度与总厚度是确定的，因此可以计算出每一层材料的层数；
S4-2-3、读取记录m个层数TXT格式的数据文件，将读取的数据存储在步骤S4-2-2创建的数组中，建立壳单元shell181，单元编号为1；
S4-2-4、写入UNIAX、BIX、TRIAX与BALSA材料的三个方向的弹性模量、剪切模量、泊松比以及质量密度，根据材料输入顺序给材料编号为1、2、3、4；
S4-2-5、定义截面属性，铺层循环开始，先进行外循环，初始化循环参数i＝1，步长为1，i＝n时循环结束，其中n为叶片的总面数；接着进行内循环，首先，对第一层进行铺层循环，初始化循环参数j＝1，步长为1，j＝m时循环结束，其中m为第一层层数，循环输入单层厚度、材料编号、铺层角度、积分点数量；然后，对第二层进行铺层循环，初始化循环参数k＝1，步长为1，k＝o时循环结束，其中o为第二层层数，继续循环输入单层厚度、铺层角度、材料编号、积分点数量；接着，依次类推，对剩下的层数进行铺层循环，由于铺层材料是对称铺层，因此实际上循环代码第一层与第m层相同，第二层与第m-1层相同，第三层与第m-2层相同。
6.根据权利要求5所述的一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，其特征在于，在步骤(5)中，包括以下步骤：首先，赋予翼型截面的属性，选择单元编号为1，接着，以单元面为单位通过映射划分单元网格，最后，通过调整划分的网格数量来控制单元数量，以便进行有限元计算分析。
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