一种风力机叶片流固耦合模态设计方法与流程
本发明涉及一种大型风力机叶片，尤其涉及一种风力机叶片流固耦合模态设计方法。
背景技术：
我国在加大风力机研究力度和投入后风电机组大型化研制已迈上了一个新台阶。风能发电作为一种绿色能源已经得到了飞速发展，随着对风能利用的探索，风力发电技术不断提高，直接将风能转换为电能的风力机一直朝大型化发展。大型水平轴风力机通常运行条件恶劣，在实际运行时载荷作用在叶片上会有交变性和随机性，因为叶片是柔性长杆结构，必然会产生振动影响叶片运行可靠性。所以，风力机叶片进行结构设计时考虑气动载荷作用复合材料叶片的动力学特性十分必要。
水平轴风力机叶片为不对称弹性结构，用数值方法进行求解时通常要进行大量简化，采用有限元的方法能很好地考虑叶片具体结构，并且可以构造出合适的数学模型，实现复杂工况下考虑叶片沿展向的合理分布。通过有限元流体域到固体域之间数据传递，对叶片静力分析得到叶片表面节点变形量，针对大型风力机复合材料叶片的振动特性，进一步计算叶片固有频率，可以分析叶片在复杂环境下运行的稳定性，避免共振产生。
风力机在额定转速下运行时，若叶片的固有频率曲线与风轮的某阶激振频率曲线相交，则表明风力机在该阶频率对应的转速下工作时，叶片将会产生共振。若叶片以低价固有频率在工作转速范围内与风轮的激振频率相交，复合材料叶片将产生共振现象，叶片振动的低阶固有频率为叶片结构设计关注的重点。大型风力机柔性叶片的气动结构耦合分析能够更真实体现叶片在实际环境中的运行情况，计算叶片固有频率避免叶片在运行时产生共振，对提高叶片气动性能、结构设计的可靠性，尤其对验证叶片设计的合理性具有重要意义。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种叶片结构设计可靠、运行稳定的风力机叶片流固耦合模态设计方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种风力机叶片流固耦合模态设计方法，包括以下步骤：
⑴确定叶片气动参数，根据风力机叶片长度沿其展向等分并得到n个截面，且假定每段的长度相同，然后确定叶片各项结构参数和截面翼型；
⑵根据所述步骤⑴中的参数构建叶片三维模型，并将该叶片三维模型导入分析软件；
⑶根据所述步骤⑵得到的叶片三维模型构建风轮的流场计算模型，确定外流场计算区域；同时采用旋转域和静止域相结合的方法构建叶片有限元模型；
⑷根据所述流场计算模型设定初始条件，并设定边界条件，计算得到叶片在设定工况下的压力分布结果；
⑸根据所述叶片有限元模型设定叶片材料参数和对应约束，划分网格并沿不同方向将叶片进行分区；
⑹提取所述步骤⑷得到的叶片表面压力分布数据，经对应加载到所述步骤⑸中划分好的区域后进行模态计算分析；
⑺计算设计叶片固有频率，对比已经成熟应用的同类型商业叶片固有频率，从而验证设计叶片的结构合理性：
若设计叶片固有频率≤所述商业叶片固有频率，则设计叶片结构合理；
若设计叶片固有频率>所述商业安全叶片固有频率，则返回所述步骤⑴对设计叶片结构参数进行调整直到满足要求。
所述步骤⑵中构建叶片三维模型的方法是指根据所述步骤⑴中的的叶片翼型数据通过转换得到不同叶片长度位置所对应弦长的截面翼型数据，根据叶片的扭角和位置参数旋转并偏移得到给定坐标轴下的翼型三维数据，通过三维软件即得。
所述步骤⑺中叶片固有频率的计算方法包括以下步骤：
①提取叶片受载荷作用时对应节点上所产生的位移{f}、速度{f′}和加速度{f′′}，且{f}=[n]{δ(t)}、{f′}=[n]{δ′(t)}、{f′′}=[n]{δ′′(t)}；
式中：[n]为对应参数的正则矩阵，δ(t)为对应节点位移矢量，δ′(t)为对应节点位移速度矢量，δ′′(t)为对应节点加速度矢量；t为时间；
②确定某一单元其质量矩阵[m]、阻尼矩阵[c]和刚度矩阵[k]：
式中：
得到对应单元平衡方程为
③根据所述单元平衡方程得到叶片动平衡方程：
式中：δ(t)为有限元节点位移矢量，{δ(t)′}为有限元节点速度矢量，{δ(t)′′}为有限元节点加速度矢量，{f(t)}为外载荷列阵；
设叶片动平衡方程的解为：x(t)={φ}cos(ωt)，其中{φ}为特征向量矩阵，即叶片的振型，ω为圆频率；
代入平衡方程，得到广义特征方程：
其特征根方程为：
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明采用流固耦合的方法，计算分析叶片实际运行工况下叶片表面所受压力分布，并将流场分析得到的叶片压力分布应用到叶片模态分析中，可以更准确地分析额定风速下叶片的振动频率、振型和变形，进一步为叶片结构设计和稳定运行提供可靠参考和指导。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明流程图。
图2为本发明叶片沿轴向分区。
图3为本发明叶片沿弦向分区。
具体实施方式
叶片在实际运行中，由于其自身结构特点，可以将叶片近似为一悬臂梁结构，但因为受力复杂加之叶片结构不规则，简单的线性简化处理并不能十分准确的分析叶片具体受力和变形，这对叶片动力学分析是一个重要的考验，对此，借助商业软件构建基于流固耦合方法通过将叶片离散化实现流场计算压力分布，并将计算得到的压力加载到叶片上，从而计算叶片固有频率并与商业叶片固有频率进行比较验证设计叶片结构合理性。
如图1~3所示，一种风力机叶片流固耦合模态设计方法，包括以下步骤：
⑴确定叶片气动参数，根据风力机叶片长度沿其展向等分并得到n个截面，且假定每段的长度相同，然后确定叶片各项结构参数和截面翼型。
⑵根据步骤⑴中的参数构建叶片三维模型，并将该叶片三维模型导入分析软件。
其中：构建叶片三维模型的方法是指根据步骤⑴中的的叶片翼型数据通过转换得到不同叶片长度位置所对应弦长的截面翼型数据，根据叶片的扭角和位置参数旋转并偏移一定角度和距离得到给定坐标轴下的翼型三维数据，通过三维软件即得。
⑶根据步骤⑵得到的叶片三维模型构建风轮的流场计算模型，确定合适的外流场计算区域；同时采用旋转域和静止域相结合的方法构建叶片有限元模型。
在构建流场计算模型时将单叶片转换为风轮，依据计算机硬件条件将流场分为两部分即旋转域和静止域，划取靠近叶片周围圆柱区域定为旋转域，外流场定为静止域。
⑷根据流场计算模型设定初始条件，并设定合适的边界条件，计算得到叶片在设定工况下的压力分布结果。
基于划分好网格的流场设定边界条件，选定入口面定为速度进口，选定出口面定为压力出口，旋转域和静止域之间的交界面设为fluid-fluid交界面，底面设定为wall，其余各面为对称边界，给定来流速度，计算叶片表面压力分布；计算叶片载荷时，划分不同区域将叶片载荷分散于不同节点，可以用载荷矩阵[f]表示。
⑸根据叶片有限元模型设定叶片材料参数和对应约束，划分网格并沿不同方向将叶片进行分区。
叶片为细长空腔结构且不同长度的叶片铺层厚度不同，需对叶片离散化分块处理，根据叶片铺层信息和截面结构对叶片展向和弦向进行分区（分区情况如表1）。
表1
针对已经划分好的叶片进行材料属性定义，即复合材料特性设定，不同角度材料铺层顺序及厚度设定；对于单叶片分析，对叶片根部进行边界约束限定叶根处所有节点的自由度。
叶片网格划分，对叶片模型进行网格划分，叶片整体采用三角形网格单元，局部进行加密处理；将流场计算所得叶片表面压力结果对应加载到划分的区域。
⑹提取步骤⑷得到的叶片表面压力分布数据，经对应加载到步骤⑸中划分好的区域后进行模态计算分析。
⑺计算设计叶片固有频率，具体方法包括以下步骤：
①提取叶片受载荷作用时对应节点上所产生的位移{f}、速度{f′}和加速度{f′′}，且{f}=[n]{δ(t)}、{f′}=[n]{δ′(t)}、{f′′}=[n]{δ′′(t)}。
式中：[n]为对应参数的正则矩阵，δ(t)为对应节点位移矢量，δ′(t)为对应节点位移速度矢量，δ′′(t)为对应节点加速度矢量；t为时间。
②确定某一单元其质量矩阵[m]、阻尼矩阵[c]和刚度矩阵[k]：
式中：
得到对应单元平衡方程为
③根据所述单元平衡方程得到叶片动平衡方程：
式中：δ(t)为有限元节点位移矢量，{δ(t)′}为有限元节点速度矢量，{δ(t)′′}为有限元节点加速度矢量，{f(t)}为外载荷列阵。
实际工程中,由于阻尼对结构自振频率及振型影响不大因而讨论结构的固有特性时，常不计及阻尼作用，假定为线性结构，任一自由振动都可视为简谐运动。
设叶片动平衡方程的解为：x(t)={φ}cos(ωt)，其中{φ}为特征向量矩阵，即叶片的振型，ω为圆频率；
代入平衡方程，得到广义特征方程：
其特征根方程为：
然后对比已经成熟应用的同类型商业叶片固有频率，从而验证设计叶片的结构合理性：
若设计叶片固有频率≤商业叶片固有频率，则设计叶片结构合理；
若设计叶片固有频率>商业安全叶片固有频率，则返回步骤⑴对设计叶片结构参数进行调整直到满足要求。
基于以上方法，以某1.5mw风力机叶片为例，该风力机叶片长度40.5m，其展长方向由不同翼型组成，结合叶片展向布置和设计要求,叶片根部靠近轮毂处采用直径为2.3m的圆柱翼型。设计选用s809-32、s808-25、s825-24、s825-21四种翼型。
经采用本发明方法进行流固耦合动力学分析计算得到叶片前六阶固有频率，具体结果见表2。
表1
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