风力机叶片CAD与CAE结合建模计算

Abstract The shape of big wind turbine blades is complex and variable,so it is the keypoint to build exact 3D model of them before FE analysis. However modeling is just the shortcoming of CAE software. Now we need to do modeling work by using CAD software which is more powerful and convenient than CAE. Taking a 25 m long wind turbine blade for example, firstly,we build its solid model in Pro/E,then import it into ANSYS to do analytical work. Finally it shows that the work would reduce and the exact 3D is the firm foundation for further analysis.
Preprocessor → Modeling → Operate 对模型进行 一定的修改，直到满足要求。 2.3 设置材料参数
材料参数设置包括选取合适的单元类型、设置单 元截面和材料性能参数。
该叶片整体是由外蒙皮、腹板、主梁三部分组成， 采用复合材料层叠壳 181 单元类型。
壳 181 单元截面定义一般步骤为：先定义截面及 其相关的截面号码，接着定义截面几何数据。这样
可以直观定义层的厚度、材料、铺层角等。材料铺
层参照文献[3,4]，如表 2 所示。其中 A：[ 0D ]板，厚 度为 1.2×10-3 m；B：[ ±45D ]角，厚度为 0.6×10-3 m； C：( 0D 90D )角，厚度为 2×10-3 m。A、B、C 三种
材料性能参数如表 3 所示。
编号
表 2 材料铺层设计方案
本文采用的风力机叶片总体性能参数：风轮直径 50 m, 叶片长 25 m；叶片的额定功率为 1 MW；翼 型采用 NA63A61x 系列；最大弦长为 2.23 m；叶尖 弦长为 0.7 m，叶根圆直径为 1.5 m。由于该扭曲的 叶片外形较复杂，本文将整个叶片分成 6 个叶素。
经计算得各弦长和扭转角如图 1 所示，图中菱 形代表弦长，正方形代表扭转角。叶片翼形如图 2
plot(Book1,y,'b')
th=-0.003490658;
x1=Book1*cos(th)-y*sin(th)
y1=y*cos(th)+Book1*sin(th)
plot(x1,y1,'r') 2.3 绘制叶片实体
在 Pro/E 中建新零件，默认坐标系与基准平面。 在 Pro/E 中依次选择“插入” → “模型基准” → “曲 线” → 选择“自文件” → “完成”，再选择曲线所参 照的坐标系，打开.ibl 文件，点击“确定”即可得到各 截面外轮廓线，最后再由“边界混合”得到叶片实体 图如图 3 所示。
表 3 材料性能参数
Table3 The material property parameters
材 Ex
料 (GPa)
Ey
(GPa)
G xy
(GPa)
ν xy
ρ
(g/cm3)
A
40
8
15.3
0.3
1.8
B
25
15
9.6
0.3
1.8
C
40
8
15.3
0.3
1.8
图 3 叶片实体模型 Fig.3 The solid model of the blade
图 4 叶片有限元模型 Fig.4 The finite element model of blade
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固体力学学报
2008 年第 29 卷Baidu Nhomakorabea
2.3 网格划分 由于叶片形状的复杂性，叶片不同位置处单元
属性、材料性能都不相同，所以应分段划分网格。 划分好网格后应检查划分结果好坏，以免为后面的 计算造成影响。风力机叶片有限元模型如图 4 所示。 2.4 结果分析
摘 要 大型风力机叶片外形复杂多变，用有限元计算之前建立一个准确的三维实体模型是关键。而 CAE 的建模功能却是分析的瓶颈，就需要在建模功能更为强大和方便的 CAD 环境中进行建模工作。本文以 25m 风力 机叶片为例，先在 CAD 中建立精确的叶片实体模型，再将模型导入 CAE 中进行分析。这样能大大简化工作量， 为后续计算提供基础。
[3] 张春丽. 复合材料风力机叶片结构设计. 硕士论文. 北 京:航空航天与力学学院, 2007.
[4] Kong C, Bang J, Sugiyama Y. Structural investigation of compositewind turbine blade considering various load cases and fatigue life[J]. Energy, 2005, 30: 2101-2114.
所示。
图 1 弦长和扭转角分布图 Fig.1 The distribution of the chord and torsion angle
图 2 叶片翼型 Fig.2 The blade airfoil
2.3 数据准备 先从 profili 中读出各个截面上离散点的坐标
(x, y) ,再求解以气动中心为原点的离散点的坐标 (x ', y ') ,最后将坐标系旋转一定角度，即可得点的 空间坐标 (x '', y '', z) ，用矩阵形式可表示为：
⎢ ⎢ ⎢⎣
y
'
⎥ ⎥
r ⎥⎦
，其中
⎧ x'
⎨ ⎩
y
'
= =
xl yl
为了保证曲线拟合的精确性，每个叶素截面上均取
38 个点,而每个点有三个坐标，且整个叶片分成 6 个叶素，所以要完成坐标转换，必须依赖软件计算
实现。Matlab 即“矩阵实验室”（Matrix Laboratory）， 具有强大的数值计算功能。而且通过 Matlab 计算得 出的数据文件可以存储成 Pro/E 能够识别的.ibl 文 件，在做实体建模时可由其与 Pro/E 的接口直接导 入。以某一扭转角为例，Matlab 程序如下：
2 叶片有限元分析 在 ANSYS 中建立风力机叶片有限元模型大致可
分为三步，即导入叶片实体模型、设置材料参数以 及划分网格。 2.1 实体模型导入
将在 Pro/E 中生成的实体模型存储为 ANSYS 能识别的 IGES 文件，利用其与 ANSYS 接口将模型 导入。具体的 GUI 操作命令为：Untility Menu → file → Import → IGES ， 接 着 运 用 以 下 三 步 骤
Key words wind turbine blade, CAD, solidwork, CAE, FEM
参考文献
[1] 陈余岳.大型风力机玻璃钢叶片设计[J].玻璃钢/复合材 料，1998，(4)：17-20.
[2] Bechly ME, Clausen PD. Structural design of a composite wind turbine blade using finite element analysis[J]. Computer Structures, 1997, 63(3): 639-646.
MODELING AND CALCULATION OF WIND TURBINE BLADE USING CAD AND CAE
Jinfan Fei Xiaoyu Zhang Zhuoqiu Li Dong Liu
(Science College, Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070 )
* 通讯作者: Tel：15926425626 Email:feijinfan@163.com
专辑
费金凡等：风力机叶片 CAD 与 CAE 结合建模计算
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⎡ x" ⎤ ⎡cosθ
⎢ ⎢
y"
⎥ ⎥
=
⎢ ⎢
sin θ
⎢⎣ z ⎥⎦ ⎢⎣ 0
− sinθ cosθ
0
0⎤ ⎡x' ⎤
0⎥⎥ 1⎥⎦
叶片在根部受固定约束，其他部分为自由状态， 其在自重作用下的位移如图 5 所示。结果表明位移 从根部至叶尖逐渐增大，最大位移为 0.184 m。叶片 自重作用下的总弹性应变如图 6 所示。最大应变位 于叶片根部，应变值小于 2000 微应变。该结果与实 验结果比较相近。
图 6 叶片等效应变场等值线图 Fig.6 The contour of equivalent strain of the blade
关键词 风力机叶片，CAD，实体建模，CAE，有限元建模
0 引言 能源是人类社会发展不可缺少的三大动力之一。
现今石油、煤炭等化学燃料正慢慢的消失殆尽。寻 求一种能够替代以上能源的新型并且可再生的能源 是当务之急。目前在可再生能源中,除水电以外,风电 最具有商业开发条件。风力机正是可以将风能转化 为电能的重要工具。而风力机叶片是风力机的核心 部件,是风力机进行能量转换的重要组成部分[1]。然 而,为了更有效的捕捉风能，叶片往往都采用复杂多 变的气动外形。同时现今的高性能风力机叶片都采 用玻璃纤维或碳纤维复合材料铺层结构制造而成, 如何能在建模中准确的表达它的铺层结构也成为对 叶片建模的一大重点和难点[2]。ANSYS 作为最通用 的 CAE 软件，虽具有全面并强大的计算分析功能， 但是一旦遇上复杂多变的模型，它建模的局限性便 显现无疑。而在做计算分析前，建立准确的模型是 前提。Pro/E 是一种拥有强大绘图功能的 CAD 软件， 特别是对于形状复杂的实例，它更是解决问题的关 键。 1 叶片 CAD 实体建模
图 5 叶片等效位移场等值线图 Fig.5 The contour of equivalent displacement of the blade
3 结语 本文先在 CAD 软件 Pro/E 中建立了风力机叶片
的实体模型，再导入 CAE 软件 ANSYS 中进行有限 元计算，计算风力机叶片在自重载荷下的叶尖变形 与实验测试结果基本一致。 本文所做工作表明结合 CAD 与 CAE 软件对风力机叶片进行建模计算能大 大减少工作量，并且能为后续的叶片强度、稳定性 等计算打好基础。
第 29 卷 专 辑 2008 年 12 月
固体力学学报 CHINESE JOURNAL OF SOLID MECHANICS
Vol.29 S.Issue December 2008
风力机叶片 CAD 与 CAE 结合建模计算
费金凡* 张小玉 李卓球 刘 冬
（武汉理工大学理学院，武汉，430070）
Table2 The scheme of materials’ ply design
半径(m)
蒙皮
腹板 主梁
1
0~2.5
2
2.5~5
3
5~13
4
13~19
5
19~22
6
22~25
2A+3C+2B 2A+2C+2B 2A+2C+2B 2A+C+2B
A+C+B A+C+B
20A 3C 20A 3C 20A 3C 20A 3C 20A 3C 20A