[发明专利]一种风电叶片气动结构耦合设计方法

权利要求书

1.一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)输入设计参数，包括机组相关参数和几何设计参数；

2)叶片几何参数设计，主要参数化生成风电叶片弦长分布、扭角分布、厚度分布；

3)叶片气动载荷计算

采用叶素-动量理论BEM，计算气动载荷，得到各个翼型截面的气动力参数，进而得到风能利用系数Cp、额定点轴向推力和年发电量，通过积分的方式，求解叶片表面积，并根据气动载荷简化得到的集中力和力臂，计算叶根到叶尖的叶片挥舞方向弯矩分布；

4)叶片刚度计算

通过弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数对叶片刚度在数据库中进行搜索插值，得到叶片各截面的刚度；

5)叶片挥舞变形的计算

采用二结点梁单元分段进行计算，由弯矩计算叶片挥舞方向的变形和轴向的变形，由于叶片变形之后，力臂会发生大的变化，因此，将变形后的力臂代入，重新计算弯矩和变形，最终使叶尖相邻迭代次的挥舞变形差值在0.1m，迭代至收敛，完成变形量的计算；

6)数据筛选及确定最终设计方案。

2.根据权利要求1所述的一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于：在步骤1)中，所述机组相关参数包括输入机组额定功率、最大转速、机组损耗、平均风速、Weibull分布曲线形状参数k、轴向推力限制值、最大允许的挥舞变形、风能利用系数Cp设计值；所述几何设计参数包括最大弦长变化范围及变化步长、叶根弦长变化范围及变化步长、最大弦长对应的展向位置范围及变化步长、靠近叶尖处的弦长范围及变化步长、厚度设计参数、叶根到叶尖主梁铺层函数分布。

3.根据权利要求1所述的一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于：在步骤2)中，所述弦长分布参考某机型的归一化弦长分布，即为标准弦长分布，横坐标为叶片展长与叶片长度的比值，纵坐标为弦长与叶根圆直径的比值，基于标准弦长分布，通过控制叶根弦长、最大弦长及最大弦长对应的叶片展向位置、靠近叶尖处的弦长，从而对弦长分布进行控制；

在叶片翼型相对厚度方案的设计过程中，选取了三款叶片归一化翼型相对厚度分布作为标准翼型相对厚度分布，在此翼型相对厚度的基础上，通过与相关函数的叠加，构造出新的翼型相对厚度分布；

所述扭角分布参考了某机型扭角和攻角分布，以预设扭角分布为设定方案，通过整体的平移以及与相关函数的叠加，从而调整扭角分布；第一步，使扭角变化范围为[-3,3]，步长1，单位为°，在此范围内找到年发电量最大的点；第二步，在第一步求得的最优点的基础上，扭角变化范围为[-0.4,0.4]，步长为0.2，单位为°，在此范围内找到年发电量最大的点。

4.根据权利要求1所述的一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于：在步骤4)中，所述数据库的构建方式如下：

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，腹板主要是承受横向剪切载荷，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；

采用FOCUS计算叶片刚度分布，以某叶片弦长、扭角和翼型相对厚度分布，构建叶片刚度数据库，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，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，生成不同主梁和叶片尺寸所对应的刚度，且叶片各截面刚度随主梁铺层层数的增加而增加。

5.根据权利要求4所述的一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于：所述单轴向布的型号为EKU120，所述双轴向布的型号为EKB800，所述三轴向布的型号为EKT800。

6.根据权利要求1所述的一种风电叶片气动结构耦合设计方法，其特征在于：在步骤6)中，通过设定的最大弦长变化范围及变化步长、叶根弦长变化范围及变化步长、最大弦长对应的展向位置范围及变化步长、靠近叶尖处的弦长范围及变化步长、厚度设计参数、叶根到叶尖主梁铺层函数分布，在程序里面批量循环求解相应的变量所对应的轴向推力、挥舞变形、风能利用系数Cp；

通过轴向推力限制值、最大允许的挥舞变形、风能利用系数Cp设计值，在所有结果中进行筛选，确定机组最终设计方案。