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一种快速生成风电叶片有限元网格的方法

2016-09-28  来源:中国风力发电网  [已有0人评论]  [有偿投稿]
核心提示:自2005年起,国内风力发电机组风轮叶片设计核心技术发展迅速,截止到目前,国内大部分整机企业及主要叶片生产企业都具备了叶片结构设计能力。
中国风力发电网讯:前言
自2005年起,国内风力发电机组风轮叶片设计核心技术发展迅速,截止到目前,国内大部分整机企业及主要叶片生产企业都具备了叶片结构设计能力。
风电叶片结构设计的一个重要步骤是使用有限元软件来计算叶片的强度、模态、失稳等项目冈。而做有限元计算的第一步是建立良好的网格。目前业内建立有限元网格的方法主要有两种:一种是直接使用FOCUS6生成的网格;另一种是在三维软件中将叶片三维模型分区,然后在前处理软件中将每个分区转化网格。前者优点是不需额外工时可直接使用,但是网格质量不好,根部的网格容易发生扭转,计算的应变不平滑。后者的优点是网格比较精细,但从开始准备到完成网格需要几个工作日。一旦叶片内部结构部件的定位发生变化,需要完全操作一遍,费时费力。另外也有相关的参数化建模的报道,方便快捷建立有限元网格。
本文的目的是以叶片二维截面为基础,研究出另外一种参数化建模方法,网格生成速度快,所得的网格均匀,叶片内部部件定位参数容易改变。
风电叶片的主要内部结构
风电叶片的结构主要分为三部分:根部圆柱段、中部气动翼型段、尖部段。根部圆筒段结构简单,主要是纯玻璃钢。中部气动翼型段内部结构复杂,如图1所示。尖部段外形为气动翼型,一般仅为玻璃钢薄壳。
下面分别简要说明中部气动翼型段中各个部件在横截面中所占区域以及其作用。
(1)叶片主梁基本是单向织物,主要承担叶片所受到的挥舞和摆振方向的载荷以及轴向载荷;
(2)腹板为三明治结构,主要起到支撑两面大梁的作用,而且承受剪切载荷;
(3)前缘、后缘壳体为三明治结构,其中的芯材为轻木或者PVC。前后缘壳体和主梁形成气动外形,起到捕获风能的作用;
(4)辅梁主要提高叶片摆振方向刚度,有利于延长叶片后缘疲劳寿命以及提高后缘抗失稳能力;
(5)环氧胶粘剂被用在前缘、腹板与两面主梁的结合处、后缘结合处,作用是将叶片的两面壳体和两块腹板粘合成一个整体。
叶片单个截面的分区
图1所示的结构复杂,而且各个区域所用材料不同,那么在有限元里面应该划分为不同的分区。考虑到详细的结构设计,将叶片截面分成了如图2所示的36个区域,每个区域内分又为若千个网格单元。
实现原理
图3显示了本文研究此网格生成的原理。可以分为如下几个步骤进行。

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(来源:玻璃钢/复合材料)

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