[发明专利]一种风力机叶片有限元建模与铺层方法

说明书

本发明公开了一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，包括以下步骤：()导出各个翼型截面的数据点；()将数据点导入有限元软件中，连接数据点形成翼型截面线，将各个翼型截面线连接起来，形成单元面并对单元面进行编号，多个单元面互相连接构成叶片初步的三维模型；()计算铺层材料的表观材料特性；()根据叶片的单元面编号进行复合材料铺层，构建完成风力机叶片最终的三维模型；()以单元面为单位对叶片进行映射划分单元网格，进行有限元分析；本发明的风力机叶片有限元建模与铺层方法能够准确计算出截面复合材料的特性，在复杂的三维风力机叶片模型中划分出精细的简单的网格，不仅缩短了数值计算时间，而且还提高了计算精度。

技术领域

本发明涉及一种风力机叶片的设计方法，具体涉及一种风力机叶片有限元建模与铺层方法。

背景技术

目前，国内在风力机叶片的结构设计方面，还没有系统的设计模型和方法，只有针对某一方面的模型，这些模型还无法归纳成一套可靠的系统设计模型。因为风力机叶片截面形状复杂，特别是在翼展方向每个截面的弦长、扭角、翼型均不同，复合纤维铺层机构复杂，其性能随不同的铺层角度、铺层顺序和铺层厚度而变化的，使得叶片设计变得极为复杂和困难。

为了解决上述问题，申请公布号为CN 110298097 A的发明专利申请公布了一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，该方法如下：计算铺层面积，总结叶片IFF系数与铺层关系式，叶片铺层与重量关系式；进行纤维布铺层优化设计。该方法能够减少铺层层数，减轻叶片质量，简化了设计与校核，但是上述叶片铺层设计方法仍然存在以下问题：

1、设计过程中只划分了腹板，壳体，梁帽，其中材料属性在仿真模拟中数值不够精确。

2、叶片模型网格划分复杂，划分网格精确度不高，叶片的模型的网格化在数值模拟过程中非常耗时，同时网格质量情况决定着数值模拟结果的精确程度，甚至影响数值导致无法收敛。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，该方法能够准确计算出每个截面复合材料的刚度与强度，并且在复杂的三维风力机叶片模型中划分出精细整齐的网格，网格简单，不仅缩短了数值计算时间，而且还提高了计算精度。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种风力机叶片有限元建模与铺层方法，包括以下步骤：

(1)导出各个翼型截面的数据点；

(2)将数据点导入有限元软件中，连接数据点形成翼型截面线，用线段将各个翼型截面线连接起来，形成单元面并对单元面进行编号，多个单元面互相连接构成叶片初步的三维模型；

(3)计算铺层材料的表观材料特性；

(4)根据叶片的单元面编号进行复合材料铺层，构建完成风力机叶片最终的三维模型；

(5)以单元面为单位对叶片进行映射划分四边形的单元网格，然后进行有限元分析。

优选地，在步骤(1)中，包括以下步骤：

S1-1、通过翼型设计软件插值计算并导出各个翼型截面的二维坐标；

S1-2、通过转换公式，将二维坐标转化为三维坐标；

S1-3、将三维坐标数据保存为TXT文件。

优选地，在S1-2中，翼型坐标变换公式为：

(x₁，y₁)＝(x₀，y₀)-(X，Y)

x₂＝x₁×c×cos θ-y₁×c×sin θ