CN117034711B - 一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，涉及风力机叶片结构受力分析的加载方法的技术领域。其特征在于：将全尺寸叶片展向离散为M个叶片剖面，以展向段N的有限元模型为研究对象；根据组成展向段N的叶片n截面和n+1截面的剖面载荷（力、力矩及作用点），按照力和力矩等效原则，基于展向段的壳体SS面和PS面的节点坐标和节点个数，将截面集中力载荷转化为作用在展向段N的壳体主梁区域的分布力载荷。本发明为风力机叶片结构受力分析的高精准加载方式提供了有效的方法指导，具有极大的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及个基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，属于风电叶片结构受力分析技术领域。
背景技术
风力机叶片作为风力发电机组的关键捕风结构，对机组的稳定、安全运行具有决定性的影响，研究风力机叶片结构承载能力的一项重要内容就是加载方式。由于环境作用、风况工况条件以及细长梁结构形式等影响，叶片服役期内受疲劳载荷和极限载荷的耦合作用，在叶片设计分析中需要模拟近3000个载荷工况条件才能完成叶片载荷计算。众多载荷形式最终转化为风力机各个部件坐标系下的力和力矩。目前，在风力机叶片设计标准(DNV-GL-0376、或TUV等)中，叶片设计和认证的加载形式多为沿叶片展向离散为几十个剖面后，采用剖面多点约束的集中力加载方法，或在全尺寸叶片静载测试中，也是采用四点-六点的剖面集中力加载方式，这种加载方式无法真实模拟风力机叶片在捕风中受到的作用于叶片外表面的分布力载荷，又容易在集中力加载剖面引起应力集中，降低结构校核精度和准度。基于以上情况，提出一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法,是具有重大工程应用价值和工程意义的技术问题，也为叶片结构设计和结构校核提供了一种新的解决方法。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，包括以下步骤：
步骤1、加载基于风力机叶片叶根坐标系，
步骤2、将风力机叶片展向进行截面划分，以叶根至叶尖方向将叶片划分为m个截面，叶根处截面标记为1，
步骤3、将叶片展向划分的截面n和截面n+1组成的叶片展向段，标记为N，此时基于叶根坐标系，叶片每个剖面的截面载荷为载荷作用点为/>其中，M表示剖面的弯矩，F表示的剪力，X、Y、Z分别为载荷作用点在叶根坐标系中的坐标值，
步骤4、以展向段N为叶片有限元模型研究对象，叶片有限元模型包括SS面壳体、PS面壳体和腹板，展向段N内标记SS面壳体和PS面壳体若干个壳体节点，其中，PS面壳体和SS面壳体主梁区域的节点数目分别记为nump，nums，
步骤5、通过截面n和n+1，计算展向段N内所有壳体节点的总节点合力以及载荷作用点坐标偏差，/>其中，/>为载荷作用点坐标偏差，Xn,Yn,Zn分别表示n截面的X、Y、Z轴载荷作用点坐标，Xn+1,Yn+1,Zn+1分别表示n+1截面的X、Y、Z轴载荷作用点坐标，同时标记展向段N内合力作用点Locn为截面n的载荷作用点位置，
步骤6、计算展向段N内PS面壳体和SS面壳体的所有壳体节点的坐标之和，分别标记为：
∑NodesXP∑NodesYP∑NodesZP，
∑NodesXS∑NodesYS∑NodesZS，
其中，∑NodesXP为PS面壳体的所有壳体节点的X轴坐标值之和，∑NodesYP为PS面壳体的所有壳体节点的Y轴坐标值之和，∑NodesZP为PS面壳体的所有壳体节点的Z轴坐标值之和，∑NodesXS为SS面壳体的所有壳体节点的X轴坐标值之和，∑NodesYS为SS面壳体的所有壳体节点的Y轴坐标值之和，∑NodesZS为SS面壳体的所有壳体节点的Z轴坐标值之和，
步骤7、计算展向段N内有限元模型的PS面壳体和SS面壳体的所有壳体节点坐标，分别标记为：
和/>
其中，dxp、dyp、dzp为PS面壳体节点X、Y和Z方向的坐标值，dxs、dys、dzs为SS面壳体节点X、Y和Z方向的坐标值，
步骤8、将展向段N内所有壳体节点的合力以节点坐标均匀分布的方式，基于力和力矩同时等效的原则，计算展向段N内节点的分布力转换矩阵[ΔC]，其中，ΔM为壳体节点的弯矩合力，ΔF为壳体节点的剪力合力,
步骤9、计算展向段N内PS面壳体和SS面壳体的每个节点的分布力载荷；
步骤10、重复步骤5至步骤9的方法，进行下一截面的计算，直至m个截面的每个节点的分布力载荷全部计算完成，根据每个节点的分布力载荷模拟风力机叶片真实风况载荷。
为优化上述技术方案，本发明采取的进一步的改进方式如下：
步骤1所述的风力机叶片叶根坐标系包括3个弯矩MX、MY、MZ和3个剪力FX、FY、FZ。
步骤5所述的展向段N内所有节点合力的计算方法为：
其中，Mn为n截面所有节点的弯矩，Mn+1为n+1截面所有节点的弯矩，Fn为n截面所有节点的剪力，Fn+1为n+1截面所有节点的剪力，载荷坐标的偏差的计算方法为其中，Xn,Yn,Zn分别表示n截面的X、Y、Z轴载荷作用点坐标，Xn+1,Yn+1,Zn+1分别表示n+1截面的X、Y、Z轴载荷作用点坐标。
展向段N内节点合力展开计算为：
ΔMX＝MXn-MXn+1-(ΔY×FZn+1-ΔZ×FYn+1)
ΔMY＝MYn-MYn+1-(ΔZ×FXn+1-ΔX×FZn+1)
ΔMZ＝MZn-MZn+1-(ΔX×FYn+1-ΔY×FXn+1)
ΔFX＝FXn-FXn+1
ΔFY＝FYn-FYn+1
ΔFZ＝FZn-FZn+1
其中，ΔMX、ΔMY、ΔMZ和ΔFX、ΔFY、ΔFZ为展向段N内X、Y、Z三轴对应的三个弯矩合力和三个剪力合力，MXn、MYn、MZn和FXn、FYn和FZn为截面n的X、Y、Z三轴对应的三个弯矩和三个剪力，作用点为Locn；MXn+1、MYn+1、MZn+1和FXn+1、FYn+1和FZn+1为截面n+1的X、Y、Z三轴对应的三个弯矩和三个剪力，作用点为Locn+1。
步骤7的展向段N内PS面壳体和SS面壳体的每个节点坐标计算方法为：
其中，XP,YP,ZP表示展向段N内PS面节点坐标，XS,YS,ZS表示展向段N内SS面节点。
步骤8的转换矩阵[ΔC]为：
步骤9中计算展向段N内PS面壳体和SS面壳体的每个节点的分布力载荷的计算公式为：
其中，ΔMx、ΔMy、ΔMz为壳体节点的X、Y、Z轴弯矩合力，ΔFx、ΔFy、ΔFz为壳体节点的X、Y、Z轴剪力合力,Px、Py、Pz为PS面壳体的节点分布力，Sx、Sy、Sz为SS面壳体的节点分布力。
展向段N的分布力Px、Py、Pz和Sx、Sy、Sz加载区域为PS面壳体和SS面壳体主梁节点。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明采用了基于叶片有限元壳体单元节点坐标和节点数目的高数量分布力离散方法，相对比叶片设计和测试的集中力加载，更符合工程实际，具有更高的真实性和创新性。
2、避免了风力机叶片有限元模型的基于剖面集中力的加载方式，减小了有限元模型的应力集中风险，提高了结构分析与校核的精度和准确性，具有巨大的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的一种基于风力机叶片有限元模型分布力加载方法流程图；
图2为风力机叶片的叶根坐标系及作用载荷图；
图3为风力机叶片截面分布及展向段图；
图4为展向段N的有限元模型图；
图5为展向段N的分布力加载区域图；
图6为展向段N的有限元模型的分布力加载图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，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(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”/“若干”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
本发明提出一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，具体流程如图1所示，意在解决当今基于有限元模型的分布力加载方法技术领域的缺陷与空白，为叶片设计与认证的结构受力分析的加载方式提供了高精准的解决思路。
首先加载基于风力机叶片叶根坐标系，如图2所示，叶根坐标系截面载荷分为3个弯矩MX、MY、MZ和3个剪力FX、FY、FZ。
其次在风力机叶片展向进行截面划分，叶根处截面标记为1，以叶根至叶尖方向进行划分(如图3所示)共划分为m个截面。
将风力机叶片展向划分的截面n和n+1组成的叶片展向段，标记为N。此时基于叶根坐标系，叶片每个剖面的截面载荷为载荷作用点为/>M表示剖面的弯矩，F表示的剪力，X、Y、Z分别为载荷作用点在叶根坐标系中的坐标值。
以展向段N内的有限元模型为研究对象，网格形式主要是壳单元，段N内包括ps面和ss面壳体和腹板(图4)，段N内标记ss面壳体和ps面壳体共有多个节点，将壳体(主梁区域)ps面和ss面的节点数目记为nump，nums。
通过截面n和截面n+1，计算段N内所有节点的总节点合力和载荷作用点坐标偏差，同时标记展向段N内合力作用点为截面n的载荷作用点位置，即Locn。
计算展向段N内PS面和SS面的所有壳体节点，基于叶根坐标系的剖面X、Y、Z坐标之和，分别标记为：
∑NodesXP∑NodesYP∑NodesZP
∑NodesXS∑NodesYS∑NodesZS，
进一步计算展向段N内有限元模型的PS面和SS面的所有壳体单元的节点坐标并标记为：
和/>
进一步将展向段N内所有壳体节点的合力以节点坐标均匀分布的方式，基于力和力矩同时等效的原则，计算展向段N内节点的分布力转换矩阵[ΔC]。
又因为段N内节点分布力实现叶片截面分布力加载方法的计算公式为
其中，ΔMx、ΔMy、ΔMz为壳体节点的X、Y、Z轴弯矩合力，ΔFx、ΔFy、ΔFz为壳体节点的X、Y、Z轴剪力合力,Px、Py、Pz为PS面壳体的节点分布力，Sx、Sy、Sz为SS面壳体的节点分布力。
基于上述情况，计算展向段N内PS面和SS面的每个节点的分布力载荷，通过展向段N内节点分布力实现叶片截面分布力加载，将各工况载荷基于截面力矩和Fz等效的原则进行转化，并进行平顺，从而形成展向段N的有限元模型的分布力加载。
如图5所示，展向段N的上述分布力Px、Py、Pz和Sx、Sy、Sz加载区域为PS面和SS面主梁节点。
如图6所示，展向段N的有限元模型的分布力加载结果。
以此类推进行下一截面的计算。直至m个截面的每个节点的分布力载荷全部计算完成，根据每个节点的分布力载荷模拟风力机叶片真实风况载荷。
本发明所达到的有益效果：第一，本发明针对风力机叶片设计和认证评估所必须的结构安全性校核方面提供了一种真实模拟叶片服役状态的分布力加载方法。第二，本发明将考虑了近3000个载荷工况和风况条件后的叶片剖面力和力矩载荷，按照力矩和力等效原则，实现了基于叶片壳体节点单元的分布力加载，具有更高的计算效率和计算精度。第三，本发明采用了基于叶片有限元壳体单元节点坐标和节点数目的高数量分布力离散方法，相对比叶片设计和测试的集中力加载，更符合工程实际。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、加载基于风力机叶片叶根坐标系，
步骤2、将风力机叶片展向进行截面划分，以叶根至叶尖方向将叶片划分为m个截面，叶根处截面标记为1，
步骤3、将叶片展向划分的截面n和截面n+1组成的叶片展向段，标记为N，此时基于叶根坐标系，叶片每个剖面的截面载荷为载荷作用点为/>其中，M表示剖面的弯矩，F表示的剪力，X、Y、Z分别为载荷作用点在叶根坐标系中的坐标值，
步骤4、以展向段N为叶片有限元模型研究对象，叶片有限元模型包括SS面壳体、PS面壳体和腹板，展向段N内标记SS面壳体和PS面壳体若干个壳体节点，其中，PS面壳体和SS面壳体主梁区域的节点数目分别记为nump，nums，
步骤5、通过截面n和n+1，计算展向段N内所有壳体节点的总节点合力以及载荷作用点坐标偏差，/>Yn+1-Yn，Zn+1-Zn＞，其中，/>为载荷作用点坐标偏差，Xn,Yn,Zn分别表示n截面的X、Y、Z轴载荷作用点坐标，Xn+1,Yn+1,Zn+1分别表示n+1截面的X、Y、Z轴载荷作用点坐标，同时标记展向段N内合力作用点Locn为截面n的载荷作用点位置，
步骤6、计算展向段N内PS面壳体和SS面壳体的所有壳体节点的坐标之和，分别标记为：
∑NodesXP NodesYP NodesZP，
∑NodesXS ∑NodesYs ∑NodesZs，
其中，∑NodesXP为PS面壳体的所有壳体节点的X轴坐标值之和，∑NodesYP为PS面壳体的所有壳体节点的Y轴坐标值之和，∑NodesZP为PS面壳体的所有壳体节点的Z轴坐标值之和，∑NodesXS为SS面壳体的所有壳体节点的X轴坐标值之和，∑NodesYS为SS面壳体的所有壳体节点的Y轴坐标值之和，∑NodesZS为SS面壳体的所有壳体节点的Z轴坐标值之和，
步骤7、计算展向段N内有限元模型的PS面壳体和SS面壳体的所有壳体节点坐标，分别标记为：
和/>
其中，dxp、dyp、dzp为PS面壳体节点X、Y和Z方向的坐标值，dxs、dys、dzs为SS面壳体节点X、Y和Z方向的坐标值，
步骤8、将展向段N内所有壳体节点的合力以节点坐标均匀分布的方式，基于力和力矩同时等效的原则，计算展向段N内节点的分布力转换矩阵[ΔC]，其中，ΔM为壳体节点的弯矩合力，ΔF为壳体节点的剪力合力,
步骤9、计算展向段N内PS面壳体和SS面壳体的每个节点的分布力载荷；
步骤10、重复步骤5至步骤9的方法，进行下一截面的计算，直至m个截面的每个节点的分布力载荷全部计算完成，根据每个节点的分布力载荷模拟风力机叶片真实风况载荷。
2.根据权利要求1所述的一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，其特征在于，所述的步骤1中，风力机叶片叶根坐标系包括3个弯矩MX、MY、MZ和3个剪力FX、FY、FZ。
3.根据权利要求1所述的一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，其特征在于，所述的步骤5中，展向段N内所有节点合力的计算方法为：
其中，Mn为n截面所有节点的弯矩，Mn+1为n+1截面所有节点的弯矩，Fn为n截面所有节点的剪力，Fn+1为n+1截面所有节点的剪力，载荷坐标的偏差的计算方法为Yn+1-Yn，Zn+1-Zn＞，其中，Xn,Yn,Zn分别表示n截面的X、Y、Z轴载荷作用点坐标，Xn+1,Yn+1,Zn+1分别表示n+1截面的X、Y、Z轴载荷作用点坐标。
4.根据权利要求3所述的一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，其特征在于，展向段N内节点合力展开计算为：
ΔMX＝MXn-MXn+1-(ΔY×FZn+1-ΔZ×FYn+1)
ΔMY＝MYn-MYn+1(ΔZ×FXn+1-ΔX×FZn+1)
ΔMZ＝MZn-MZn+1-(ΔX×FYn+1-ΔY×FXn+1)
ΔFX＝FXn-FXn+1
ΔFY＝FYn-FYn+1
ΔFZ＝FZn-FZn+1，
其中，ΔMX、ΔMY、ΔMZ和ΔFX、ΔFY、ΔFZ为展向段N内X、Y、Z三轴对应的三个弯矩合力和三个剪力合力，MXn、MYn、MZn和FXn、FYn和FZn为截面n的X、Y、Z三轴对应的三个弯矩和三个剪力，作用点为Locn；MXn+1、MYn+1、MZn+1和FXn+1、FYn+1和FZn+1为截面n+1的X、Y、Z三轴对应的三个弯矩和三个剪力，作用点为Locn+1。
5.根据权利要求4所述的一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，其特征在于，所述的步骤7中，展向段N内PS面壳体和SS面壳体的每个节点坐标计算方法为：
其中，XP,YP,ZP表示展向段N内PS面节点坐标，XS,YS,ZS表示展向段N内SS面节点。
6.根据权利要求5所述的一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，其特征在于，所述的步骤8的转换矩阵[ΔC]为：
7.根据权利要求6所述的一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，其特征在于，所述的步骤9中，计算展向段N内PS面壳体和SS面壳体的每个节点的分布力载荷的计算公式为：
其中，ΔMx、ΔMy、ΔMz为壳体节点的X、Y、Z轴弯矩合力，ΔFx、ΔFy、ΔFz为壳体节点的X、Y、Z轴剪力合力,Px、Py、Pz为PS面壳体的节点分布力，Sx、Sy、Sz为SS面壳体的节点分布力。
8.根据权利要求7所述的一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，其特征在于，展向段N的分布力Px、Py、Pz和Sx、Sy、Sz加载区域为PS面壳体和SS面壳体主梁节点。
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|---|---|---|---|---|
| CN107665278A (zh) * | 2017-09-25 | 2018-02-06 | 湖南大学 | 一种大型直驱风电机组的心轴强度优化设计方法 |
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|---|
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| 裂纹内水压分布对重力坝断裂特性的影响;刘钧玉;林皋;胡志强;李建波;;土木工程学报;20090315(第03期);140-149 * |
| 风力机叶片分布力函数加载方式有限元分析;李慧;王同光;;太阳能学报;20130328(第03期);133-137 * |
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