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風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要步驟是使用有限元軟件來(lái)計(jì)算葉片的強(qiáng)度、模態(tài)、失穩(wěn)等項(xiàng)目岡。而做有限元計(jì)算的步是建立良好的網(wǎng)格。目前業(yè)內(nèi)建立有限元網(wǎng)格的方法主要有兩種：一種是直接使用FOCUS 6生成的網(wǎng)格;另一種是在三維軟件中將葉片三維模型分區(qū)，然后在前處理軟件中將每個(gè)分區(qū)轉(zhuǎn)化網(wǎng)格。前者優(yōu)點(diǎn)是不需額外工時(shí)可直接使用，但是網(wǎng)格質(zhì)量不好，根部的網(wǎng)格容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，計(jì)算的應(yīng)變不平滑。后者的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)格比較精細(xì)，但從開始準(zhǔn)備到完成網(wǎng)格需要幾個(gè)工作日。一旦葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件的定位發(fā)生變化，需要完全操作一遍，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。另外也有相關(guān)的參數(shù)化建模的報(bào)道，方便快捷建立有限元網(wǎng)格。
本文的目的是以葉片二維截面為基礎(chǔ)，研究出另外一種參數(shù)化建模方法，網(wǎng)格生成速度快，所得的網(wǎng)格均勻，葉片內(nèi)部部件定位參數(shù)容易改變。
風(fēng)電葉片的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)
風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)主要分為三部分：根部圓柱段、中部氣動(dòng)翼型段、尖部段。根部圓筒段結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要是純玻璃鋼。中部氣動(dòng)翼型段內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖1所示。尖部段外形為氣動(dòng)翼型，一般僅為玻璃鋼薄殼。
下面分別簡(jiǎn)要說(shuō)明中部氣動(dòng)翼型段中各個(gè)部件在橫截面中所占區(qū)域以及其作用。
葉片主梁基本是單向織物，主要承擔(dān)葉片所受到的揮舞和擺振方向的載荷以及軸向載荷腹板為三明治結(jié)構(gòu)，主要起到支撐兩面大梁的作用，而且承受剪切載荷前緣、后緣殼體為三明治結(jié)構(gòu)，其中的芯材為輕木或者PVC。前后緣殼體和主梁形成氣動(dòng)外形，起到捕獲風(fēng)能的作用輔梁主要提高葉片擺振方向剛度，有利于延長(zhǎng)葉片后緣疲勞壽命以及提高后緣抗失穩(wěn)能力環(huán)氧膠粘劑被用在前緣、腹板與兩面主梁的結(jié)合處、后緣結(jié)合處，作用是將葉片的兩面殼體和兩塊腹板粘合成一個(gè)整體。
葉片單個(gè)截面的分區(qū)
圖1所示的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且各個(gè)區(qū)域所用材料不同，那么在有限元里面應(yīng)該劃分為不同的分區(qū)。考慮到詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將葉片截面分成了如圖2所示的36個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)分又為若千個(gè)網(wǎng)格單元。
實(shí)現(xiàn)原理
圖3顯示了本文研究此網(wǎng)格生成的原理。可以分為如下幾個(gè)步驟進(jìn)行。
坐標(biāo)系和原始主要截面將葉片主要截面按照?qǐng)D2中所示坐標(biāo)系進(jìn)行排布。基于此坐標(biāo)系，需要分別提出SS、PS兩面曲線的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)腹板也處于豎直方向。
插值獲得新截面數(shù)據(jù)圖3中的粗線代表葉片主要截面，其間距較大，從幾十厘米到幾米不等，不適用于直接做有限元網(wǎng)格。相鄰兩主要截面之間需要插值獲得新截面坐標(biāo)數(shù)據(jù)此新截面間距可以根據(jù)所需網(wǎng)格大小進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)橄噜徯陆孛骈g距等于將來(lái)有限元網(wǎng)格單元的長(zhǎng)度。
變量輸入為了用數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)各部件在截面內(nèi)的定位，需要輸入以下一些數(shù)據(jù)：
大梁寬度和大梁中心線在Y軸上的位置數(shù)據(jù)；在Y軸方向上，兩面腹板中心離大梁中心線的距離；兩腹板的粘接寬度；后緣輔梁的層數(shù)及層輔梁離；后緣合模縫的弧線距離；前緣的粘接寬度；后緣粘接的定位數(shù)據(jù)。
通過(guò)修改以上定位數(shù)據(jù)，各種部件在網(wǎng)格中的定位可以直接被修改，非常方便。
在所有截面上計(jì)算出葉片各個(gè)部件邊界點(diǎn)葉片截面中有主梁、腹板、后緣輔梁等區(qū)域，下面簡(jiǎn)要介紹如何找出其邊界點(diǎn)。這些邊界點(diǎn)如圖2中虛線與葉片外輪廓線的交點(diǎn)。
主梁：通過(guò)插值得到兩面主梁中心線點(diǎn)分別在其對(duì)應(yīng)弧線上的投影點(diǎn)，再根據(jù)大梁的寬度，找到主粱兩個(gè)側(cè)勸存名自弧線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。
腹板：通過(guò)與大梁相似的辦法找到腹板中心在各自弧線上的投影點(diǎn)。再根據(jù)腹板的粘接寬度，找到粘接區(qū)域的邊界。
輔梁：輔梁的定位參照后緣合模縫，以曲線長(zhǎng)度計(jì)，找出輔梁在后緣殼體的定位邊界點(diǎn)。
前緣膠粘劑：以前緣合模縫為參照，通過(guò)插值找出前緣膠粘劑分別在兩面內(nèi)的邊界點(diǎn)。
在所有新截面上計(jì)算出其他等分節(jié)點(diǎn)。在所有的邊界點(diǎn)找到之后，需要將每個(gè)區(qū)域劃分成若千線段，并計(jì)算出新節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
組合節(jié)點(diǎn)成單元因?yàn)樗薪孛娴墓?jié)點(diǎn)數(shù)相同，所以相鄰截面相同區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)是容易對(duì)應(yīng)的。在組合成單元之前，需要對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)按照相同的循環(huán)規(guī)則進(jìn)行編號(hào)。然后再通過(guò)逆時(shí)針或者順指針組合方式將節(jié)點(diǎn)號(hào)按照Nastran或其他某種有限元單元格式寫成單元信息。
作者將以上的網(wǎng)格建立方法用MATLAB語(yǔ)言編制成了自動(dòng)程序，后獲得四邊形網(wǎng)格單元。圖4顯示了一段使用此自動(dòng)程序計(jì)算所得的網(wǎng)格。可見此網(wǎng)格比較均勻。如網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比需要調(diào)節(jié)，可以控制相鄰截面的距離和每個(gè)區(qū)域內(nèi)的單元數(shù)量。
有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)個(gè)別網(wǎng)格的內(nèi)角之和大于180度，可以在有限元軟件中將其分為兩個(gè)三角形即可解決，或者調(diào)整局部的截面間距，或者調(diào)整特定分區(qū)內(nèi)的單元數(shù)量。
結(jié)論
此技術(shù)的原理比較簡(jiǎn)單，可以使用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)所有的邏輯和數(shù)值運(yùn)算，方便快速地繪制出良好的有限元網(wǎng)格。此網(wǎng)格可以用于ANSYS或者NASTRAN等有限元軟件。
本文對(duì)一個(gè)59m葉片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，設(shè)定相鄰插值截面的間距為50mm，每相鄰兩個(gè)截面組成的單元數(shù)為200個(gè)。結(jié)果是快速獲得了平滑的網(wǎng)格。此網(wǎng)格經(jīng)賦予材料屬性后，成功地進(jìn)行了應(yīng)變、失穩(wěn)計(jì)算。所得應(yīng)變平滑，無(wú)因網(wǎng)格奇異而產(chǎn)生的應(yīng)力集中等缺陷。
大梁、腹板、輔梁的定位都以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，非常方便調(diào)節(jié)。特別是當(dāng)輔梁的層數(shù)有所變化時(shí)，程序自動(dòng)調(diào)整輔梁區(qū)域的總寬度，從而避免了在葉片三維模型上再進(jìn)行分區(qū)消耗時(shí)間。如果要調(diào)節(jié)腹板的位置，只需通過(guò)調(diào)整腹板與大梁中心的距離即可。
此研究將會(huì)大幅度縮短葉片有限元建模時(shí)間。那么在相同研發(fā)周期內(nèi)可以做更多次的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有助于降低材料成本和提高公司在葉片設(shè)計(jì)方面的競(jìng)爭(zhēng)力。
從根部到尖部所有截面上的節(jié)點(diǎn)數(shù)相同，從而會(huì)導(dǎo)致尖部狹小區(qū)域同一截面內(nèi)相鄰兩節(jié)點(diǎn)的距離特別靠近，以致葉片尖部區(qū)域很難采用此技術(shù)畫出網(wǎng)格。所以將來(lái)的工作是實(shí)現(xiàn)尖部截面變節(jié)點(diǎn)數(shù)，引入三角形單元。那么此項(xiàng)技術(shù)將會(huì)更加完美。
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