[发明专利]一种风电叶片气动结构耦合设计方法

说明书

本发明公开了一种风电叶片气动结构耦合设计方法，包括步骤：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、翼型相对厚度分布；3)叶片气动载荷计算；4)基于数据库插值的叶片刚度计算；5)叶片挥舞变形的计算；6)数据筛选及确定最终设计方案。本发明能极大地提高风电叶片的设计、研发效率和减少叶片设计中间迭代次数，最终实现降低叶片载荷和减少叶片质量。

技术领域

本发明涉及可再生新能源风电叶片的技术领域，尤其是指一种风电叶片气动结构耦合设计方法。

背景技术

随着风力发电功率的快速提升，风电叶片正在向着大型化、轻量化、智能化快速发展。由于气动、结构、叶片成本之间存在相互限制关系，即叶片弦长越大、厚度越大、主梁铺层层数越多，叶片的刚度越大，承载能力越强。但是叶片相应的重量越大，成本越高。

气动设计方面，研究人员以年发电量和度电成本等为目标函数，结合遗传算法和粒子群算法，对叶片进行设计。以年发电量为目标函数，叶片结构强度方面可能不符合要求；以度电成本为目标函数，函数构建的难度极大。

对于纤维增强型复合材料叶片，根据弦长、扭角、相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数，可以通过FOCUS或者ANSYS得到刚度分布。再将刚度分布导入到BLADED，计算变形，对结构强度进行校核。叶片的发电量、结构强度、刚度采用多款软件进行设计，设计过程需要反复迭代，软件计算时间比较长，新款叶片需要较长的开发周期。

基于气动、结构一体化设计的理念，通过程序脚本驱动，由FOCUS得到叶片刚度分布。通过正交试验构建与弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数相对应的数据库。在气动与结构计算相互迭代的过程中，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。由于刚度的查找仅通过简单的加权插值，因此计算时间的消耗可忽略不计，大幅缩短了优化设计所需的时间。此外，数据库的构建可以根据需求进行扩充，或者对刚度进一步修正。由于叶片刚度采用风电叶片行业应用广泛的商用软件FOCUS产生，插值求解的刚度具有较好的准确度。刚度计算时间即设计人员可在单一的设计软件里面对发电量、最大风能利用系数Cp、轴向推力、叶片刚度、挥舞变形进行快速全面评估。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种科学可靠的风电叶片气动结构耦合设计方法，能极大地提高风电叶片的设计、研发效率和减少叶片设计中间迭代次数，最终实现降低叶片载荷和减少叶片质量。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风电叶片气动结构耦合设计方法，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、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。