一种考虑气动载荷的风力机叶片内部结构拓扑设计方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑气动载荷的风力机叶片内部结构拓扑设计方法，根据叶片几何尺寸，利用APDL言语建立叶片有限元实体模型；将复杂的叶片划分为多个几何拓扑区域，然后对每个几何拓扑区域进行六面体网格划分，从而实现对叶片整体六面网格划分；结合RFOIL软件及动量叶素理论，计算出叶片气动力压力分布，并给出了典型叶片翼段气动载荷分布情况；通过压力分布数据进行考虑气动载荷的叶片拓扑结构优化设计，得到叶片不同部位的受力传递途径；结合受力传递途径对对叶片进行拓扑结构优化从而设计出符合力学性能的轻质化叶片。通过本发明专利技术可以设计出质量轻、结构传力效率高、强度满足要求的风力机叶片结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风力机叶片结构设计领域，具体涉及一种考虑气动载荷的风力机叶片内部结构拓扑设计方法。
技术介绍
随着风力机功率越来越大，其叶片的尺寸也越来越长，如何提高叶片的结构有效性显得尤为重要。一种有效的方法是在保证叶片结构强度的前提下如何降低叶片的质量。以某新型2MW风力机叶片作为拓扑结构设计对象为例。该叶片气动外形由CQU-A翼型系列，其叶片弦长、扭角及最大相对厚度沿叶片展长方向变化如图1至图3所示。基于三维叶片复杂曲面集成表达式，将翼型耦合到该集成表达式中，编制程序将其转化为空间三维数据点，采用APDL语言编制宏文件与该数据点形成数据传递机制，从而建立叶片参数化有限元实体模型，如图4所示。拓扑优化对网格质量要求很高，尤其是对于风力机叶片复杂气动外形曲面，需要有效、精确的单元来捕捉拓扑结构。因此，网格拓扑技术一直是风力机叶片结构拓扑优化的技术难题之一。由于叶片从叶根到叶尖厚度变化跨度大，叶片截面翼型形状复杂，以往的叶片网格划分都是自由四面体网格划分，其缺点是拓扑结果精确度难以保证，而且计算量较大，需要浪费更多的计算资源。究其原因主要是没有引入叶片截面拓扑网格技术，实现叶片内部实体六面体网格拓扑划分。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种考虑气动载荷的风力机叶片内部结构拓扑设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据叶片几何尺寸，利用APDL言语建立叶片有限元实体模型；步骤二、将复杂的叶片划分为多个几何拓扑区域，然后对每个几何拓扑区域进行六面体网格划分，从而实现对叶片整体六面网格划分；步骤三、针对其中一个几何拓扑区域进行气动载荷分析，基于动量叶素理论，结合RFOIL软件计算出来的气动力数据，求得在正常运行工况下该几何拓扑区域叶片翼段的压力分布数据；步骤四、通过叶片表面的压力分布数据进行考虑气动载荷的叶片拓扑结构优化设计，得到叶片不同部位的受力传递途径；步骤五、通过叶片不同部位的受力传递途径对叶片内部结构进行初始优化，从而设计出符合力学性能的轻质化叶片。优选的，所述步骤四拓扑结构优化设计过程中，叶片的外形表面采用shell单元，不参与拓扑优化设计，以保证表面光滑；所述叶片内部实体采用solid45单元，划分总单元数为10-40万。优选的，所述步骤四中对材料特性需求分析时采用各向同性材料进行分析，有利于叶片拓扑结构初始设计，同时各向异性材料同样具有指导意义。优选的，在气动载荷分析过程中，选取叶片截面沿展向25％-80％位置进行研究分析，方便看清拓扑结构。本专利技术有益效果是：叶片拓扑设计属于一种概念设计方法，它为叶片尺寸优化设计提供了理论依据。通过这种概念设计，可以设计出质量轻、结构传力效率高、强度满足要求等优越性能的新型风力机叶片结构。附图说明图1为叶片弦长分布图；图2叶片扭角分布图；图3为叶片厚度分布图；图4为风力机叶片几何三维模型；图5为叶片截面拓扑技术；图6翼段六面体拓扑结构；图7为展向位置r/R＝0.25时叶片截面压力分布图8为叶片截面压力分布示意图；图9为叶片翼段压力分布图10为整体叶片拓扑优化结果；图11为沿叶片展长约25％处截面拓扑优化结果；图12为沿叶片展长约80％处截面拓扑优化结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行举例说明。本专利技术提出一种叶片截面拓扑技术，如图5所示，将复杂的叶片截面划分为六个几何拓扑区域，每个拓扑区域均可实现六面体网格划分，最终整个叶片实体可实现六面体网格划分。选取叶片某翼段，其六面体网格有限元模型如图6所示，由图可知，该六面体单元能够较好的捕捉拓扑结构，同时其气动外形表面也较四面体单元更加光滑，有利于气动力加载。本实施例选取某新型2MW风力机叶片作为拓扑结构设计对象。基于三维叶片复杂曲面集成表达式，利用MATLAB及APDL语言编制程序进行数据传递机制，建立了参数化叶片三维实体有限单元模型；针对叶片截面复杂形状，提出了一种新的几何拓扑结构，该技术能够实现叶片实体全六面体单元；考虑气动载荷作用于叶片气动外形表面，以最小重量(最小体积)为目标函数建立叶片拓扑优化有限元模型，并给出了拓扑优化结果。(1)气动载荷及边界条件风力机叶片同时受到气动力、重力及惯性力等载荷的相互耦合作用，以往叶片结构拓扑设计通常将气动载荷转化为集中弯矩和扭矩进行加载，而忽略了真实的叶片曲面压力分布特性。因此，本研究考虑叶片表面压力分布，对风力机叶片进行拓扑结构初始优化设计。结合RFOIL软件计算出来的气动力数据与动量叶素理论，可求得在正常运行工况下每个翼型截面的压力分布数据。作用在叶片上的气动压力可根据式(1)求得： p = 1 2 ρv r e l C p + p ∞ - - - ( 1 ) ]]>其中ρ为空气密度取1.205kg/m3；Cp为压力系数，已知攻角可采用RFOIL软件计算求出；p∞为标准大气压强，vrel为作用在叶片上的相对速度，基于动量叶素理论即可求得相对速度，如式(2)： v r e l = v x 2 + v y 2 = ( 1 - a ) 2 v 0 2 + ( 1 + b ) 2 ( ω r ) 2 - - - ( 2 ) ]]>式中v0—风速；ω—风轮旋转角速度(rad/s)；r—叶素沿叶片展向位置；a、b—轴向诱导因子和周向诱导因子；vx、vy—来流风速在x、y方向的速度分量。而轴向诱导因子a和周向诱导因子b可表示为 a = 2 + 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑气动载荷的风力机叶片内部结构拓扑设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据叶片几何尺寸，利用APDL言语建立叶片有限元实体模型；步骤二、将复杂的叶片划分为多个几何拓扑区域，然后对每个几何拓扑区域进行六面体网格划分，从而实现对叶片整体六面网格划分；步骤三、针对其中一个几何拓扑区域进行气动载荷分析，基于动量叶素理论，结合RFOIL软件计算出来的气动力数据，求得在正常运行工况下该几何拓扑区域叶片翼段的压力分布数据；步骤四、通过叶片表面的压力分布数据进行考虑气动载荷的叶片拓扑结构优化设计，得到叶片不同部位的受力传递途径；步骤五、通过叶片不同部位的受力传递途径对叶片内部结构进行初始优化，从而设计出符合力学性能的轻质化叶片。

【技术特征摘要】
1.一种考虑气动载荷的风力机叶片内部结构拓扑设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据叶片几何尺寸，利用APDL言语建立叶片有限元实体模型；步骤二、将复杂的叶片划分为多个几何拓扑区域，然后对每个几何拓扑区域进行六面体网格划分，从而实现对叶片整体六面网格划分；步骤三、针对其中一个几何拓扑区域进行气动载荷分析，基于动量叶素理论，结合RFOIL软件计算出来的气动力数据，求得在正常运行工况下该几何拓扑区域叶片翼段的压力分布数据；步骤四、通过叶片表面的压力分布数据进行考虑气动载荷的叶片拓扑结构优化设计，得到叶片不同部位的受力传递途径；步骤五、通过叶片不同部位的受力传递途径对叶片内部结构进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪泉，洪星，王君，孙金风，游颖，邬述晖，魏琼，任军，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42