基于等效结构的风力机叶片气弹特性计算方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于等效结构的风力机叶片气弹特性计算方法及装置，基于风力机叶片挥舞刚度EIx、摆振刚度EIy、扭转刚度GJ、质量线密度ρA、质心位置xc沿展向的分布,建立叶片的等效结构；基于所述建立的叶片等效结构，采用计算流体力学与计算固体力学相耦合的方法计算风力机叶片气弹特性。本发明专利技术能够在无法获得叶片内部结构数据的情况下，通过叶片等效结构进行叶片气弹特性计算，有效提高计算精度。有效提高计算精度。有效提高计算精度。

【技术实现步骤摘要】
基于等效结构的风力机叶片气弹特性计算方法及装置


[0001]本专利技术涉及一种基于等效结构的风力机叶片气弹特性计算方法及装置。

技术介绍

[0002]风力机叶片气弹特性同机组经济型、安全性紧密相关，目前叶片气弹特性计算精度较高的一种方法为采用计算流体力学(CFD：computational fluid dynamics)与采用计算固体力学(CSD：computational solid dynamics)相耦合的方法。其中计算流体力学通常采用有限容积法来求解非定常/定常的雷诺时均方程(RANS：Reynolds Averaged Navier
‑
Stokes equations)，计算固体力学通常采用有限元方法来求解固体结构方程。在采用上述方法对某些风力机进行求解时，经常遇到风力机叶片内部结构(包括叶片内部铺层、腹板等结构的详细的材料属性和结构属性)未知的情况，限制了有限元方法的使用和耦合特性的求解。

技术实现思路

[0003]本专利技术的专利技术目的在于提供一种基于等效结构的风力机叶片气弹特性计算方法及装置，能够在无法获得叶片内部结构数据的情况下，通过叶片等效结构进行叶片气弹特性计算，有效提高计算精度。
[0004]基于同一专利技术构思，本专利技术具有两个独立的技术方案：
[0005]1、一种基于等效结构的风力机叶片气弹特性计算方法，基于风力机叶片挥舞刚度EIx、摆振刚度EIy、扭转刚度GJ、质量线密度ρA、质心位置xc沿展向的分布,建立叶片的等效结构；基于所述建立的叶片等效结构，采用计算流体力学与计算固体力学相耦合的方法计算风力机叶片气弹特性。
[0006]进一步地，建立叶片的等效结构包括如下步骤：
[0007]步骤1：根据给定的结构参数展向分布，将叶片从叶根到叶尖划分为多个翼型段，翼型段截面从1到N依次进行标记；
[0008]步骤2：在i＝1截面，建立坐标系，所述坐标系为以变桨轴中心为原点，弦向方向为x的笛卡尔坐标系；
[0009]步骤3：计算该截面翼型的Ix1、Iy1的值；
[0010]步骤4：给出该截面翼型抽壳厚度初始值t0；计算抽壳后内翼型的Ix2、Iy2和抽壳厚度值tnew；
[0011]步骤5：计算该截面翼型弹性模量E、剪切模量G、泊松比μ、左右侧密度ρ
L
和ρ
R
。
[0012]步骤6：如果i小于N，则将i+1赋值给i，返回步骤2，依次可得所有截面上的弹性模量E、剪切模量G、泊松比μ、左右侧密度ρ
L
和ρ
R
。
[0013]进一步地步骤2中，通过如下公式计算Ix1、Iy1的值，
[0014]I
x1
‑
∫
A
y2dA，I
y1
‑
∫
A
x2dA
[0015]Ix1、Iy1分别表示在步骤2建立的坐标系下翼型对x轴和y轴的惯性矩，A表示面积，
x、y分别为笛卡尔坐标系下的坐标。
[0016]进一步地，步骤4中还包括：计算(Ix1
‑
Ix2)/(Iy1
‑
Iy2)的值，如果该值小于0.95*(EIx/EIy)，EIx表示叶片挥舞刚度，EIy表示叶片摆振刚度，则减小抽壳厚度的值,赋值tnew＝t0*0.95，；反之如果该值大于1.05*(EIx/EIy)，则增大抽壳后度的值，赋值tnew＝t0*1.05；将tnew带入t0值，返回步骤4；如果该值处于在0.95*(EIx/EIy)与1.05*(EIx/EIy)之间，则输出抽壳厚度值tnew，并进入步骤5。
[0017]进一步地，步骤5中，叶片弹性模量E通过如下公式计算获得，
[0018][0019]式中，EIx表示叶片挥舞刚度。
[0020]进一步地，步骤5中，叶片剪切模量G通过如下公式计算获得，
[0021][0022]式中，扭转刚度GJ表示原叶片中给定的该截面翼型扭转刚度，J1表示叶片原有翼型的极惯性矩，J2表示叶片抽壳后内翼型的极惯性矩。
[0023]进一步地，步骤5中，叶片左右侧密度ρ
L
和ρ
R
通过如下公式计算获得，
[0024][0025][0026]式中，A
L
、A
R
分别为y轴左侧、右侧壳模型的面积，x
L
、x
R
分别为左侧和右侧形心坐标，整个壳模型的面积A＝A
L
+A
R
，ρA表示叶片的质量线密度。
[0027]进一步地，采用计算流体力学与计算固体力学相耦合的方法计算风力机叶片气弹特性包括如下步骤：
[0028]步骤A:设定叶片的流动计算域，将所述流动计算域进行网络划分，使得每个网格节点对应一个流动控制区域；
[0029]步骤B:根据叶片的等效结构设定固体计算域，将所述固体计算域进行网络划分，使得每个网格节点对应一个固体控制区域；
[0030]步骤C:设定流动计算域和固体计算域的边界条件；
[0031]步骤D:利用所述流动控制区域求解三维离散流动区域的连续方程、Navier
‑
Stokes方程和湍流方程；
[0032]利用所述固体控制区域求解三维离散固体区域的结构方程；
[0033]将流固交界面上流动计算域的计算结果作为下一次固体计算域的边界条件，将流固交界面上固体计算域的计算结果为下一次流动计算域的边界条件；
[0034]返回步骤A,直至所有所述方程得到收敛解。
[0035]进一步地，步骤D中，利用所述流动控制区域求解三维离散流动区域的连续方程、Navier
‑
Stokes方程和湍流方程，获得压强、速度湍流动能k和湍流频率ω；利用所述固体控制区域求解三维离散固体区域的结构方程，获得叶片运动的加速度向量、速度向量、位
移向量和叶片的载荷向量。
[0036]2、一种基于等效结构的风力机叶片气弹特性计算装置，用于执行上述的方法。
[0037]本专利技术具有的有益效果：
[0038]本专利技术基于风力机叶片挥舞刚度EIx、摆振刚度EIy、扭转刚度GJ、质量线密度ρA、质心位置xc沿展向的分布,建立叶片的等效结构；基于所述建立的叶片等效结构，采用计算流体力学与计算固体力学相耦合的方法计算风力机叶片气弹特性。建立叶片的等效结构包括如下步骤：建立坐标系，所述坐标系为以变桨轴中心为原点，弦向方向为x的笛卡尔坐标系；计算叶片原有翼型的Ix1，Iy1值；给出叶片抽壳厚度初始值t0；计算抽壳后内翼型的Ix2，Iy2值和抽壳厚度值tnew；计算叶片弹性模量E、剪切模量G、泊松比μ、左右侧密度ρ
L
和ρ
R
。本专利技术可以在无法获得叶片内部结构详细数据的情况下根据整体结构性能分布(挥舞刚度、摆振刚度、扭转刚度和质心位置)进行叶片等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于等效结构的风力机叶片气弹特性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：基于风力机叶片挥舞刚度EIx、摆振刚度EIy、扭转刚度GJ、质量线密度ρA、质心位置xc沿展向的分布,建立叶片的等效结构；基于所述建立的叶片等效结构，采用计算流体力学与计算固体力学相耦合的方法计算风力机叶片气弹特性。2.根据权利要求1所述的基于等效结构的风力机叶片气弹特性计算方法，其特征在于，建立叶片的等效结构包括如下步骤：步骤1：根据给定的结构参数展向分布，将叶片从叶根到叶尖划分为多个翼型段，翼型段截面从1到N依次进行标记；步骤2：在i＝1截面，建立坐标系，所述坐标系为以变桨轴中心为原点，弦向方向为x的笛卡尔坐标系；步骤3：计算该截面翼型的Ix1、Iy1的值；步骤4：给出该截面翼型抽壳厚度初始值t0；计算抽壳后内翼型的Ix2、Iy2和抽壳厚度值tnew；步骤5：计算该截面翼型弹性模量E、剪切模量G、泊松比μ、左右侧密度ρ
L
和ρ
R
。步骤6：如果i小于N，则将i+1赋值给i，返回步骤2，依次可得所有截面上的弹性模量E、剪切模量G、泊松比μ、左右侧密度ρ
L
和ρ
R
。3.根据权利要求2所述的基于等效结构的风力机叶片气弹特性计算方法，其特征在于：步骤3中，通过如下公式计算Ix1、Iy1的值，I
x1
＝∫
A
y2dA，I
y1
＝∫
A
x2dAIx1、Iy1分别表示在步骤2建立的坐标系下翼型对x轴和y轴的惯性矩，A表示面积，x、y分别为笛卡尔坐标系下的坐标。4.根据权利要求2所述的基于等效结构的风力机叶片气弹特性计算方法，其特征在于，步骤4中还包括：计算(Ix1
‑
Ix2)/(Iy1
‑
Iy2)的值，如果该值小于0.95*(EIx/EIy)，则减小抽壳厚度的值，赋值tnew＝t0*0.95；如果该值大于1.05*(EIx/EIy)，则增大抽壳后度的值，赋值tnew＝t0*1.05；将tnew带入t0值，返回步骤4；如果该值处于在0.95*(EIx/EIy)与1.05*(EIx/EIy)之间，则输出抽壳厚度值tnew，并进入步骤5；其...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴丽萍，王晓东，张泽能，常宁，丛龙福，李新凯，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：