[发明专利]复合材料叶片结构动力学数值模拟方法

说明书

本发明属于风电机组叶片结构动力技术领域，尤其涉及一种基于时域有限差分方法的复合材料叶片结构动力学数值模拟方法，包括：步骤1：在梁单元空间坐标系的基础上建立各向异性复合材料叶片理论模型并进行变换；步骤2：通过对变换后的理论模型进行数值离散化来建立各向异性复合材料叶片数值模型；步骤3：通过在不同时刻分别交错构造线速度和角速度、力与力矩的变量来建立适用于有限差分方法的结构动力学计算网格；步骤4：在给定边界条件和初始条件后，求解结构动力学计算网格数值。本发明使得结构动力学求解比传统有限元方式具有更为简洁的形式和更高的效率。

技术领域

本发明属于风电机组叶片结构动力技术领域，尤其涉及一种基于时域有限差分方法的复合材料叶片结构动力学数值模拟方法。

背景技术

目前复合材料广泛地应用于现代风电机组叶片的制造当中，复合材料的使用使得叶片结构呈现较强的各向异性，从而叶片运动的多个自由度存在着紧密的耦合关系，因此叶片结构动力学模型更为复杂化，数值建模也更加复杂。同时，近年来为了追求更高的发电效能，风电机组叶片设计长度不断增加，这使叶片的几何非线性效应更加显著，从而数值求解计算量加大，因此工程上需要更为快速的结构动力求解方法。

目前广泛使用的风力机结构动力学的数值求解方法主要有三类：1.基于梁模型的模态叠加方法；2.多体动力学方法；3.有限元方法。模态叠加方法有效减少了结构数值方程的自由度，提高了模拟的计算效率。一般地，为了保证较高的计算效率，模态方法采用从有限元方法中获取的结构前3-4阶模态进行模拟，但是前3-4阶模态往往忽略了叶片复合材料各向异性的重要信息，如扭转模态。除了这种模态截断误差，模态方法从根本上是基于线性假设，这限制了其只能应用于小变形叶片的模拟当中，很难应用到大叶片带来的几何非线性问题的求解当中。工程中解决这一问题的途径是采用多体动力学或有限元方法，但是这两种方法的离散形式比较复杂。在模拟风电机组整机时，模型网格节点数多，计算量较大。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种基于时域有限差分方法的复合材料叶片结构动力学数值模拟方法，包括：

步骤1：在梁单元空间坐标系的基础上建立各向异性复合材料叶片理论模型并进行变换；

步骤2：通过对变换后的理论模型进行数值离散化来建立各向异性复合材料叶片数值模型；

步骤3：通过在不同时刻分别交错构造线速度和角速度、力与力矩的变量来建立适用于有限差分方法的结构动力学计算网格；

步骤4：在给定边界条件和初始条件后，求解结构动力学计算网格数值。

所述理论模型包括：力与力矩的平衡方程、受力与形变的本构关系数学方程。

所述力与力矩的平衡方程中外力与外力矩包含体积力与力矩和惯性力与力矩。

所述步骤2包括：

步骤201：对力与力矩平衡方程来说，对线速度与角速度变量的一阶时间导数采用中心差分格式进行离散，对力与力矩变量的一阶空间导数采用一阶向前差分格式进行离散；

步骤202：对于本构关系数学方程来说，对线速度与与角速度变量的一阶空间导数采用一阶向后差分格式进行离散，对力与力矩变量的一阶时间导数采用中心差分格式进行离散。

所述步骤3包括：

步骤301：在时刻构造线速度和角速度变量的计算网格，网格均匀分布；

步骤302：在n时刻构造力与力矩变量的计算网格，网格均匀分布，网格的节点位于相应速度与角速度变量网格节点间的中心位置处；

步骤303：重复步骤301与302来布置后续网格，使得速度与力变量网格呈现时空交错的形式。

所述步骤4包括：