CN114564832A - 一种风机叶片三维建模方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

一种风机叶片三维建模方法、系统、设备及存储介质 Download PDF

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武青
薛录宏
杨少帅
张永生
任涛
何亚平
童彤
任鑫
吴昊
祝金涛
吕亮
朱俊杰
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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

本发明公开了一种风机叶片三维建模方法、系统、设备及存储介质，步骤1：获取叶片各个截面的翼型坐标；步骤2：将叶片截面的翼型坐标求解二维坐标；步骤3：将二维坐标进行三维空间坐标变换；步骤4：根据每一个截面的三维空间坐标，获得各叶素截面，继而得到叶素截面的轴向视图；添加平面区域，生成叶素平面；最后放样生成叶片实体。能够有效的对复杂曲面叶片进行精确的建模。

Description

一种风机叶片三维建模方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明属于风电领域，涉及一种风机叶片三维建模方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
风力发电机的叶片作为风机最核心的部件，也是是一个复杂的曲面形状几何体，对其建模时所使用的建模方法、生产叶片时所使用的材料类型、叶片设计时所选择的翼型类型以及叶片设计时选择的优化设计理论种类都有很大的关系。它直接影响着风机诸多的性能，最大的影响为其决定着风机的风能利用率，继而决定着整台风力发电机的功能效率，而且基于叶片造型为复杂曲面，这就为叶片的建模造成一定的困难，使得建模后叶片在精度上有所欠缺。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种风机叶片三维建模方法、系统、设备及存储介质，能够有效的对复杂曲面叶片进行精确的建模。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种风机叶片三维建模方法，包括以下步骤：
步骤1：获取叶片各个截面的翼型坐标；
步骤2：将叶片截面的翼型坐标求解二维坐标；
步骤3：将二维坐标进行三维空间坐标变换；
步骤4：根据每一个截面的三维空间坐标，获得各叶素截面，继而得到叶素截面的轴向视图；添加平面区域，生成叶素平面；最后放样生成叶片实体。
优选的，步骤1中，叶片截面的翼型坐标通过profili软件获取。
优选的，步骤2中，将叶片截面的翼型坐标平移到气动中心中求解二维坐标。
优选的，步骤3中，根据每一截面叶素弦长将二维坐标进行三维空间坐标变换。
优选的，根据每一截面叶素弦长计算叶素坐标，旋转叶素得到实际空间坐标，经过化解合并得到叶素三维空间坐标。
进一步，叶素坐标为(x2,y2)；(x2,y2)＝(x1,y1)×C，(x1,y1)为二维坐标，C为叶素弦长；
旋转叶素得到实际空间坐标：
Figure BDA0003525020500000021
其中θ为叶片的扭角；
上式经过化解合并为：
Figure BDA0003525020500000022
优选的，步骤4中，将每一个截面的三维空间坐标保存为.txt类型文件，继而直接将三维空间坐标导入到SolidWorks，获得各叶素截面。
一种风机叶片三维建模系统，包括：
翼型坐标获取模块，用于获取叶片各个截面的翼型坐标；
二维坐标求解模块，用于将叶片截面的翼型坐标求解二维坐标；
三维空间坐标变换模块，用于将二维坐标进行三维空间坐标变换；
叶片生成模块，用于根据每一个截面的三维空间坐标，获得各叶素截面，继而得到叶素截面的轴向视图；添加平面区域，生成叶素平面；最后放样生成叶片实体。
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述风机叶片三维建模方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述风机叶片三维建模方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过获得叶片翼型二维坐标数据，利用拟合得到的每个叶素的弦长和扭角和基于坐标变换的基本原理，辅助与坐标变换公式，得到每个叶素三维坐标，进而得到二维截面图，通过放样等操作命令，得到三维曲面造型，能够有效的对复杂曲面叶片进行精确的建模。
附图说明
图1为本发明的风机叶片三维建模方法流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
对于风力机的设计而言，叶片的设计是非常关键的，其为曲面造型，利用二维图是很难表达清楚其基本曲面结构和形状的，基于此，要获得叶片三维模型，必须通过对叶片进行参数化建模，其主要流程为通过profili软件获得叶片各个截面的翼型二维坐标数据，利用拟合得到的每个叶素的弦长和扭角和基于坐标变换的基本原理，辅助与坐标变换公式，得到每个叶素三维空间坐标，进而得到二维截面图，通过放样等操作命令，得到三维曲面造型。
如图1所示，为本发明所述的风机叶片三维建模方法，包括以下步骤：
步骤1：获取叶片各个截面的翼型坐标(x0,y0)。以NACA4415翼型为例，坐标通过profili软件导出，如表1所示；
表1NACA4415翼型二维坐标
UpperX UpperY LowerX LowerY
0 0 0 0
1.25 3.07 1.25 -1.79
2.5 4.17 2.5 -2.48
5 5.74 5 -3.27
7.5 6.91 7.5 -3.71
10 7.84 10 -3.98
15 9.27 15 -4.18
20 10.25 20 -4.15
25 10.92 25 -3.98
30 11.25 30 -3.75
40 11.25 40 -3.25
50 10.53 50 -2.72
60 9.3 60 2.14
70 7.63 70 -1.55
80 5.55 80 -1.03
90 3.08 90 -0.57
95 1.67 95 0.38
100 0.16 100 -0.16
UpperY、LowerY表示翼型的范围。
步骤2：将所得到的叶片截面平移到气动中心，求解二维坐标(x1,y1)。设气动中心坐标为(0.25C,0)，其中C为弦长，则：
(x1,y1)＝(x0,y0)-(0.25C,0)
步骤3：进行三维坐标变换，得到坐标(x,y,z)。
根据每一截面叶素弦长计算叶素坐标(x2,y2)：
(x2,y2)＝(x1,y1)×C
旋转叶素得到实际空间坐标：
Figure BDA0003525020500000051
上式经过化解合并为：
Figure BDA0003525020500000052
步骤4：通过上述方法获得17个叶素截面的三维空间坐标，然后将每一个截面的三维坐标保存为.txt类型文件，继而直接将坐标导入到SolidWorks，获得各叶素截面，继而得到叶素平面的轴向视图；添加平面区域，生成叶素平面；最后放样生成叶片实体。
下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。
本发明再一个实施例中，提供了一种风机叶片三维建模系统，该风机叶片三维建模系统可以用于实现上述风机叶片三维建模方法，具体的，该风机叶片三维建模系统包括翼型坐标获取模块、二维坐标求解模块、三维空间坐标变换模块以及叶片生成模块。
其中，翼型坐标获取模块用于获取叶片各个截面的翼型坐标；二维坐标求解模块用于将叶片截面的翼型坐标求解二维坐标；三维空间坐标变换模块用于将二维坐标进行三维空间坐标变换；叶片生成模，用于根据每一个截面的三维空间坐标，获得各叶素截面，继而得到叶素截面的轴向视图；添加平面区域，生成叶素平面；最后放样生成叶片实体。
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于风机叶片三维建模方法的操作，包括：步骤1：获取叶片各个截面的翼型坐标；步骤2：将叶片截面的翼型坐标求解二维坐标；步骤3：将二维坐标进行三维空间坐标变换；步骤4：根据每一个截面的三维空间坐标，获得各叶素截面，继而得到叶素截面的轴向视图；添加平面区域，生成叶素平面；最后放样生成叶片实体。
再一个实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关风机叶片三维建模方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：步骤1：获取叶片各个截面的翼型坐标；步骤2：将叶片截面的翼型坐标求解二维坐标；步骤3：将二维坐标进行三维空间坐标变换；步骤4：根据每一个截面的三维空间坐标，获得各叶素截面，继而得到叶素截面的轴向视图；添加平面区域，生成叶素平面；最后放样生成叶片实体。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主题内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (10)

1.一种风机叶片三维建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取叶片各个截面的翼型坐标；
步骤2：将叶片截面的翼型坐标求解二维坐标；
步骤3：将二维坐标进行三维空间坐标变换；
步骤4：根据每一个截面的三维空间坐标，获得各叶素截面，继而得到叶素截面的轴向视图；添加平面区域，生成叶素平面；最后放样生成叶片实体。
2.根据权利要求1所述的风机叶片三维建模方法，其特征在于，步骤1中，叶片截面的翼型坐标通过profili软件获取。
3.根据权利要求1所述的风机叶片三维建模方法，其特征在于，步骤2中，将叶片截面的翼型坐标平移到气动中心中求解二维坐标。
4.根据权利要求1所述的风机叶片三维建模方法，其特征在于，步骤3中，根据每一截面叶素弦长将二维坐标进行三维空间坐标变换。
5.根据权利要求1所述的风机叶片三维建模方法，其特征在于，根据每一截面叶素弦长计算叶素坐标，旋转叶素得到实际空间坐标，经过化解合并得到叶素三维空间坐标。
6.根据权利要求5所述的风机叶片三维建模方法，其特征在于，叶素坐标为(x2,y2)；(x2,y2)＝(x1,y1)×C，(x1,y1)为二维坐标，C为叶素弦长；
旋转叶素得到实际空间坐标：
Figure FDA0003525020490000011
其中θ为叶片的扭角；
上式经过化解合并为：
Figure FDA0003525020490000021
7.根据权利要求1所述的风机叶片三维建模方法，其特征在于，步骤4中，将每一个截面的三维空间坐标保存为.txt类型文件，继而直接将三维空间坐标导入到SolidWorks，获得各叶素截面。
8.一种风机叶片三维建模系统，其特征在于，包括：
翼型坐标获取模块，用于获取叶片各个截面的翼型坐标；
二维坐标求解模块，用于将叶片截面的翼型坐标求解二维坐标；
三维空间坐标变换模块，用于将二维坐标进行三维空间坐标变换；
叶片生成模块，用于根据每一个截面的三维空间坐标，获得各叶素截面，继而得到叶素截面的轴向视图；添加平面区域，生成叶素平面；最后放样生成叶片实体。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任意一项所述风机叶片三维建模方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述风机叶片三维建模方法的步骤。
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