一种考虑气动载荷的风力机叶片内部结构拓扑设计方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
-种考虑气动载荷的风力机叶片内部结构拓扑设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于风力机叶片结构设计领域，具体设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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] W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=维 叶片复杂曲面集成表达式，将翼型禪合到该集成表达式中，编制程序将其转化为空间=维 数据点，采用AP化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。
[0004] 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，W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W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。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006] -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W下 步骤：
[0007] 步骤一、根据叶片几何尺寸，利用AP化言语建立叶片有限元实体模型；
[000引步骤二、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；
[0009] 步骤=、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；
[0010] 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；
[0011] 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。
[0012] 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，W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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 本发明有益效果是：
[0016] 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。 通过运种概念设计，可W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】
[0017] 图1为叶片弦长分布图；
[001引图2叶片扭角分布图；
[0019] 图3为叶片厚度分布图；
[0020] 图4为风力机叶片几何S维模型；
[0021 ]图5为叶片截面拓扑技术；
[0022] 图6翼段六面体拓扑结构；
[0023] 图7为展向位置r/R = 0.25时叶片截面压力分布
[0024] 图8为叶片截面压力分布示意图；
[0025] 图9为叶片翼段压力分布
[0026] 图10为整体叶片拓扑优化结果；
[0027] 图11为沿叶片展长约25%处截面拓扑优化结果；
[0028] 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】
[0029 ]下面结合附图对本发明进行举例说明。
[0030] 本发明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。
[0031] 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=维叶片复杂 曲面集成表达式，利用MATLAB及AP化语言编制程序进行数据传递机制，建立了参数化叶片 =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，W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。
[0032] (1)气动载荷及边界条件
[0033] 风力机叶片同时受到气动力、重力及惯性力等载荷的相互禪合作用，W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： 陣]
0)
[0035] 其中P为空气密度取1.20化g/m3;Cp为压力系数，已知攻角可采用RFOIL软件计算求 出；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，如井
[0036] (2)
[0037] 式中VO-风速；
[0038] CO-风轮旋转角速度(rad/s);
[0039] r-叶素沿叶片展向位置；
[0040] a、b-轴向诱导因子和周向诱导因子；
[0041 ] vx、vy-来流风速在x、y方向的速度分量。
[0042] 而轴向诱导因子a和周向诱导因子b可表示为
[0043] (3) 鋒4] W
[0045] 式中 Yi = 4Fsin2(l)/(OCnFi);[0046] Y2 = 4Fsin<l)cos<l)/(〇CtFi)；
[0047]
[004引
[0049]
[(K)加]
[0化1 ]
[0052] 〇 = Bc/U町），B为叶片数，C为叶素沿叶片展向r位置处的弦长；
[0053] g = exp[-0.125(BA-21)]+0.1；
[0化4] A=WRzVo; R为风轮叶片长度；
[0055] 编制程序不断迭代求解a及b，代入式(2)即可求出每个叶片截面的相对速度，再根 据式（1)即可计算出每个叶素上的压力分布。为了简化气动力计算，本文将整个叶片分成24 个截面翼段，对每个叶片翼段施加不同的二维气动载荷。每个叶片翼段的压力分布W高阶 多项式拟合的形式施加在有限元模型上。图7为距叶片展向25%处的拟合压力分布与离散 压力分布对比图（风速12.5m/s，额定转速为20;r/min)。由图可W看出，采用高阶多项式拟 合，除压力分布曲率变化较大位置外(约0.5倍弦向位置），可W准确地表示叶片翼段表面离 散的压力分布点。编制程序实现整个叶片气动力载荷计算与拟合，并加载到有限元模型中， 图8和图9为相应叶片翼段有限元模型气动力载荷加载情况，箭头方向表示翼段受力方向， 箭线长短表示叶片翼段压力分布大小。
[0056] 由于叶片在运行中其根部固定在轮穀上，因此叶片根部边界处理为固定约束。此 夕h叶片光滑曲面是气动性能良好的保障，在拓扑优化过程中，要保证其曲面完整且光滑。 因此，气动外形表面采用shell单元，不参与拓扑优化设计(非拓扑设计区域）。而叶片内部 实体采用solid45单元，为拓扑设计区域。最终划分的总单元数约为20万。材料特性采用准 各向同性材料，其杨氏模量为44GPa，剪切模量17.3GPa，泊松比为0.27。虽然风力机叶片材 料特性表现为各向异性(叶片由复合材料制造而成），而对于实体单元无法采用各向异性材 料来模拟，但是对于叶片拓扑结构初始设计而言，采用各向同性结构单元同样具有指导意 义。
[0057] (2)拓扑优化及结果分析
[0058] 拓扑优化的目的是在设计区域内寻求合理的材料密度分布及最佳的受力传递路 径。本文基于SIMP的材料插值模型，将离散化问题转化为连续优化问题，优化准则采用MMA 算法，在气动载荷作用下，W应力及叶尖变形为约束条件，W轻量化(最小体积）为目标函 数，建立=维叶片结构拓扑优化数学模型：
[0化9]目标函数:f(x)=min(V)
[0060] 约束条件:〇m《175MPa
[0061] 5tip《6m
[0062] 其中Om为von Mises应力，Stip为挥舞拍打方向的叶尖变形。
[0063] 由于采用六面体拓扑网格技术，在一定程度上节约了计算资源及时间。计算机采 用内存8Gb，巧双核处理器(2 X 3.30化），经过48个小时迭代20步收敛。其拓扑优化结果如图 10所示:叶片主梁沿展向方向从叶根延伸到叶尖附近，且主梁沿叶片截面弦向位置集中在 叶片前缘及最大厚度处。运主要是由于叶片所受气动力主要集中在叶片前缘及气动中屯、附 近(如图8所示），而气动中屯、位置与最大厚度位置相近，约在0.25倍弦长附近，拓扑优化将 朝着更佳的传力方式去除多余的材料，保留叶片主梁结构。
[0064] 为了看清拓扑结构细节，分别取叶片截面沿展向约25%及80%位置进行研究（如 图11和10所示）。由图可知：主梁在迎风面(压力面）的宽度要比在背风面(吸力面)要宽，随 着主梁向叶尖延伸，叶片主梁基本覆盖整个迎风面，且出现腹板结构；另外，整个叶片在翼 型尾缘处出现了加强材料结构。相比传统叶片内部结构，该新型叶片拓扑结构不同点在于 上下翼面主梁位置表现为非对称性及叶片尾缘处出现了加强材料结构。主要原因在于传统 的叶片结构设计，将叶片所受的气动力转化为叶片截面弯矩和扭矩，并将复杂叶片气动外 形简化为简支梁来处理而设计出来了。而本研究考虑气动载荷分布，更能反映叶片受力的 物理本质。
【主权项】
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初始优化，从而设计 出符合力学性能的轻质化叶片。2. 如权利要求1所述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: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s〇lid45单元，划分总单元数为10-40 万。3. 如权利要求1所述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: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。4. 如权利要求1所述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: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。
【文档编号】G06F17/50GK106021827SQ201610554286
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】汪泉, 洪星, 王君, 孙金风, 游颖, 邬述晖, 魏琼, 任军
【申请人】湖北工业大学