一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法

本发明涉及个基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，属于风电叶片结构受力分析。

背景技术：

1、风力机叶片作为风力发电机组的关键捕风结构，对机组的稳定、安全运行具有决定性的影响，研究风力机叶片结构承载能力的一项重要内容就是加载方式。由于环境作用、风况工况条件以及细长梁结构形式等影响，叶片服役期内受疲劳载荷和极限载荷的耦合作用，在叶片设计分析中需要模拟近3000个载荷工况条件才能完成叶片载荷计算。众多载荷形式最终转化为风力机各个部件坐标系下的力和力矩。目前，在风力机叶片设计标准(dnv-gl-0376、或tuv等)中，叶片设计和认证的加载形式多为沿叶片展向离散为几十个剖面后，采用剖面多点约束的集中力加载方法，或在全尺寸叶片静载测试中，也是采用四点-六点的剖面集中力加载方式，这种加载方式无法真实模拟风力机叶片在捕风中受到的作用于叶片外表面的分布力载荷，又容易在集中力加载剖面引起应力集中，降低结构校核精度和准度。基于以上情况，提出一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法,是具有重大工程应用价值和工程意义的技术问题，也为叶片结构设计和结构校核提供了一种新的解决方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于风力机叶片有限元模型的分布力加载方法，包括以下步骤：

4、步骤1、加载基于风力机叶片叶根坐标系，

5、步骤2、将风力机叶片展向进行截面划分，以叶根至叶尖方向将叶片划分为m个截面，叶根处截面标记为1，

6、步骤3、将叶片展向划分的截面n和截面n+1组成的叶片展向段，标记为n，此时基于叶根坐标系，叶片每个剖面的截面载荷为载荷作用点为其中，m表示剖面的弯矩，f表示的剪力，x、y、z分别为载荷作用点在叶根坐标系中的坐标值，

7、步骤4、以展向段n为叶片有限元模型研究对象，叶片有限元模型包括ss面壳体、ps面壳体和腹板，展向段n内标记ss面壳体和ps面壳体若干个壳体节点，其中，ps面壳体和ss面壳体主梁区域的节点数目分别记为nump，nums，

8、步骤5、通过截面n和n+1，计算展向段n内所有壳体节点的总节点合力以及载荷作用点坐标偏差，其中，为载荷作用点坐标偏差，xn,yn,zn分别表示n截面的x、y、z轴载荷作用点坐标，xn+1,yn+1,zn+1分别表示n+1截面的x、y、z轴载荷作用点坐标，同时标记展向段n内合力作用点locn为截面n的载荷作用点位置，

9、步骤6、计算展向段n内ps面壳体和ss面壳体的所有壳体节点的坐标之和，分别标记为：

10、∑nodesxp∑nodesyp∑nodeszp，

11、∑nodesxs∑nodesys∑nodeszs，

12、其中，∑nodesxp为ps面壳体的所有壳体节点的x轴坐标值之和，∑nodesyp为ps面壳体的所有壳体节点的y轴坐标值之和，∑nodeszp为ps面壳体的所有壳体节点的z轴坐标值之和，∑nodesxs为ss面壳体的所有壳体节点的x轴坐标值之和，∑nodesys为ss面壳体的所有壳体节点的y轴坐标值之和，∑nodeszs为ss面壳体的所有壳体节点的z轴坐标值之和，

13、步骤7、计算展向段n内有限元模型的ps面壳体和ss面壳体的所有壳体节点坐标，分别标记为：

14、和

15、其中，dxp、dyp、dzp为ps面壳体节点x、y和z方向的坐标值，dxs、dys、dzs为ss面壳体节点x、y和z方向的坐标值，

16、步骤8、将展向段n内所有壳体节点的合力以节点坐标均匀分布的方式，基于力和力矩同时等效的原则，计算展向段n内节点的分布力转换矩阵[δc]，其中，δm为壳体节点的弯矩合力，δf为壳体节点的剪力合力,

17、步骤9、计算展向段n内ps面壳体和ss面壳体的每个节点的分布力载荷；

18、步骤10、重复步骤5至步骤9的方法，进行下一截面的计算，直至m个截面的每个节点的分布力载荷全部计算完成，根据每个节点的分布力载荷模拟风力机叶片真实风况载荷。

19、为优化上述技术方案，本发明采取的进一步的改进方式如下：

20、步骤1所述的风力机叶片叶根坐标系包括3个弯矩mx、my、mz和3个剪力fx、fy、fz。

21、步骤5所述的展向段n内所有节点合力的计算方法为：

22、

23、其中，mn为n截面所有节点的弯矩，mn+1为n+1截面所有节点的弯矩，fn为n截面所有节点的剪力，fn+1为n+1截面所有节点的剪力，载荷坐标的偏差的计算方法为其中，xn,yn,zn分别表示n截面的x、y、z轴载荷作用点坐标，xn+1,yn+1,zn+1分别表示n+1截面的x、y、z轴载荷作用点坐标。

24、展向段n内节点合力展开计算为：

25、δmx＝mxn-mxn+1-(δy×fzn+1-δz×fyn+1)

26、δmy＝myn-myn+1-(δz×fxn+1-δx×fzn+1)

27、δmz＝mzn-mzn+1-(δx×fyn+1-δy×fxn+1)

28、δfx＝fxn-fxn+1

29、δfy＝fyn-fyn+1

30、δfz＝fzn-fzn+1

31、其中，δmx、δmy、δmz和δfx、δfy、δfz为展向段n内x、y、z三轴对应的三个弯矩合力和三个剪力合力，mxn、myn、mzn和fxn、fyn和fzn为截面n的x、y、z三轴对应的三个弯矩和三个剪力，作用点为locn；mxn+1、myn+1、mzn+1和fxn+1、fyn+1和fzn+1为截面n+1的x、y、z三轴对应的三个弯矩和三个剪力，作用点为locn+1。

32、步骤7的展向段n内ps面壳体和ss面壳体的每个节点坐标计算方法为：

33、

34、

35、其中，xp,yp,zp表示展向段n内ps面节点坐标，xs,ys,zs表示展向段n内ss面节点。

36、步骤8的转换矩阵[δc]为：

37、

38、步骤9中计算展向段n内ps面壳体和ss面壳体的每个节点的分布力载荷的计算公式为：

39、

40、其中，δmx、δmy、δmz为壳体节点的x、y、z轴弯矩合力，δfx、δfy、δfz为壳体节点的x、y、z轴剪力合力,px、py、pz为ps面壳体的节点分布力，sx、sy、sz为ss面壳体的节点分布力。

41、展向段n的分布力px、py、pz和sx、sy、sz加载区域为ps面壳体和ss面壳体主梁节点。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

43、1、本发明采用了基于叶片有限元壳体单元节点坐标和节点数目的高数量分布力离散方法，相对比叶片设计和测试的集中力加载，更符合工程实际，具有更高的真实性和创新性。

44、2、避免了风力机叶片有限元模型的基于剖面集中力的加载方式，减小了有限元模型的应力集中风险，提高了结构分析与校核的精度和准确性，具有巨大的工程应用价值。