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1、10申请公布号CN102004838A43申请公布日20110406CN102004838ACN102004838A21申请号201010593193822申请日20101217G06F17/5020060171申请人中国航天空气动力技术研究院地址100074北京市丰台区云岗西路17号72发明人康传明张卫民74专利代理机构中国航天科技专利中心11009代理人杨虹54发明名称一种基于有限差分法的风力机叶片结构确定方法57摘要一种基于有限差分法的风力机叶片结构确定方法，利用有限差分法的结构设计符合叶片的设计过程，即首先设计叶片的气动外形，其次在气动外形确定的前提下进行结构设计，从而保证了叶片的气动。
2、效率和结构强度。本发明采用有限差分法，实现了从三维设计到二维设计的转化，简化了设计复杂程度；本发明采用了逆向有限差分法，实现了叶片变形可控设计；本发明采用理论截面抗弯刚度作为设计目标，截面面积可作为约束，有利于实现叶片轻量化设计。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图2页CN102004851A1/1页21一种基于有限差分法的风力机叶片结构确定方法，其特征在于通过以下步骤实现第一步，根据风力机叶片的铺层方式，利用毯式曲线法得到风力机叶片的纵向弹性常数E；第二步，将风力机叶片按长度分为N等分，得到N个横截面，每份长度为H；第三步，根据风力机叶片。
3、的气动外形，得到风力机叶片的N个横截面的气动载荷，并根据气动载荷得到N个横截面的弯矩MI，I1，2N；第四步，根据风力机叶片的变形，利用多项式曲线得到风力机叶片N个横截面的变形量VI，I1，2N；第五步，根据第三步得到的弯矩MI和第四步得到的变形量VI，利用公式1的有限差分法得到风力机叶片N个横截面的抗弯刚度EII，I1，2N，第六步，利用第五步得到抗弯刚度EII，计算风力机叶片N个横截面的理论惯性距II，I1，2N；第七步，根据N个横截面的理论惯性距II确定风力机叶片N个横截面的二维结构即材料厚度分布，A71、若风力机叶片为等厚度叶片结构，则利用公式2得到风力机叶片N个横截面的厚度YI，I1。
4、，2N，IIYI2DXIDYI2其中XI为第I个风力机叶片横截面的二维截面宽度，YI第I个风力机叶片横截面的材料厚度；A72、若风力机叶片为盒式梁叶片结构，则利用公式3得到风力机叶片N个横截面的材料厚度分布即YIJ，其中I1，2N，J1，2J，J为单个横截面上不同材料厚度的个数，XIJ为第I个风力机叶片横截面的第J个材料厚度的二维截面宽度，YIJ为第I个风力机叶片横截面的第J个材料厚度；第八步，根据第七步得到的风力机叶片N个横截面的二维结构，确定风力机叶片的三维结构。2根据权利要求1所述的一种基于有限差分法的风力机叶片结构确定方法，其特征在于所述第二步N不小于20。3根据权利要求1所述的一种基。
5、于有限差分法的风力机叶片结构确定方法，其特征在于所述步骤A72中单个横截面上不同材料厚度的个数J3。权利要求书CN102004838ACN102004851A1/5页3一种基于有限差分法的风力机叶片结构确定方法技术领域0001本发明涉及一种基于有限差分法的风力机叶片结构确定方法，属于风力机叶片结构设计技术领域，用于大型风力机叶片或大跨度的玻璃纤维/碳纤维复合材料结构设计。背景技术0002随着风力机叶片的大型化趋势的迅速发展，建立一种快速、可靠的叶片设计方法非常必要。目前，结构设计过程中把叶片简化为具有翼型截面的多腔悬臂梁，设计者要考虑叶片的材料厚度分布，同时要保证满足强度和刚度要求，难度较大，。
6、往往需要迭代多次才能完成符合要求的结构设计方案。根据玻璃纤维碳纤维强度高的特点，结构刚度往往是复合材料结构的设计根据。现代大型风力机叶片的设计中仍然把叶片简化为悬臂梁，通过反复迭代完成叶片的结构设计，这种传统设计方法不但需要较长的设计周期，对设计经验的要求也很高。发明内容0003本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种设计周期短、操作简单的基于有限差分法的风力机叶片结构确定方法。0004本发明的技术解决方案是一种基于有限差分法的风力机叶片结构确定方法，通过以下步骤实现0005第一步，根据风力机叶片的铺层方式，利用毯式曲线法得到风力机叶片的纵向弹性常数E；0006第二步，将风力机叶片按。
7、长度分为N等分，得到N个横截面，每份长度为H；0007第三步，根据风力机叶片的气动外形，得到风力机叶片的N个横截面的气动载荷，并根据气动载荷得到N个横截面的弯矩MI，I1，2N；0008第四步，根据风力机叶片的变形，利用多项式曲线得到风力机叶片N个横截面的变形量VI，I1，2N；0009第五步，根据第三步得到的弯矩MI和第四步得到的变形量VI，利用公式1的有限差分法得到风力机叶片N个横截面的抗弯刚度EII，I1，2N，00100011第六步，利用第五步得到抗弯刚度EII，计算风力机叶片N个横截面的理论惯性距II，I1，2N；0012第七步，根据N个横截面的理论惯性距II确定风力机叶片N个横截面。
8、的二维结构即材料厚度分布，0013A71、若风力机叶片为等厚度叶片结构，则利用公式2得到风力机叶片N个横截面的厚度YI，I1，2N，0014IIYI2DXIDYI2说明书CN102004838ACN102004851A2/5页40015其中XI为第I个风力机叶片横截面的二维截面宽度，YI第I个风力机叶片横截面的材料厚度；0016A72、若风力机叶片为盒式梁叶片结构，则利用公式3得到风力机叶片N个横截面的材料厚度分布即YIJ，00170018其中I1，2N，J1，2J，J为单个横截面上不同材料厚度的个数，XIJ为第I个风力机叶片横截面的第J个材料厚度的二维截面宽度，YIJ为第I个风力机叶片横截面。
9、的第J个材料厚度；0019第八步，根据第七步得到的风力机叶片N个横截面的二维结构，确定风力机叶片的三维结构。0020所述第二步N不小于20。0021所述步骤A72中单个横截面上不同材料厚度的个数J3。0022本发明与现有技术相比有益效果为00231本发明利用有限差分法的结构设计符合叶片的设计过程，即首先设计叶片的气动外形，其次在气动外形确定的前提下进行结构设计，从而保证了叶片的气动效率和结构强度；00242本发明采用有限差分法，实现了从三维设计到二维设计的转化，简化了设计复杂程度；00253本发明采用了逆向有限差分法，实现了叶片变形可控设计；00264本发明采用理论截面抗弯刚度作为设计目标，截。
10、面面积可作为约束，有利于实现叶片轻量化设计。附图说明0027图1为本发明流程图；0028图2为本发明实施例25叶片半径处的横截面示意图；0029图3为本发明实施例50叶片半径处的横截面示意图。具体实施方式0030本发明如图1所示，通过以下步骤实现00311、根据给定的风力机叶片的铺层方式，利用毯式曲线法得到风力机叶片的纵向弹性常数E。0032风力机叶片是复合材料结构，首先在设计时先确定一种铺层形式，如比较传统0/90/45按60/20/20铺层方式，根据毯式曲线法求得铺层的纵向弹性常数E。0033毯式曲线法原理参见王耀先，复合材料结构设计，化学工业出版社，2001年9月。00342、将风力机叶。
11、片按长度分为N等分，得到N个横截面，每份长度为H。0035对于大型兆瓦级风力机叶片，为了使设计比较合理，N一般大于20。00363、根据给定的风力机叶片的气动外形，得到风力机叶片的N个横截面的气动载说明书CN102004838ACN102004851A3/5页5荷，并根据气动载荷得到N个横截面的弯矩MI，I1，2N。0037气动载荷根据动量叶素理论得到，具体原理参见文献贺德馨风工程与空气动力学，国防工业出版社，2006年1月。00384、根据已知的风力机叶片的变形，利用多项式曲线得到风力机叶片N个横截面的变形量VI，I1，2N。0039风力机叶片设计成等强度梁结构，叶片弹性轴的变形曲线可用二次。
12、多项式表示，结合叶片起始位置处转角和变形都为0，所以叶片弹性轴的变形曲线可以表示为VAX2，其中A是系数，根据叶片的长度和叶尖变形量确定叶尖变形根据风力机总体设计确定，或者根据叶片静止情况下与塔壁距离的40确定，V是变形量，X是叶片展向长度划分截面的长度方向。0040多项式曲线原理参见文献刘鸿文，材料力学，高等教育出版社，2004年1月。00415、根据弯矩MI和变形量VI，利用公式1的有限差分法得到风力机叶片N个横截面的抗弯刚度EII，I1，2N，00420043本发明使用的有限差分法是一种快速的、半数值化的叶片结构设计方法，这种设计方法以刚度为设计准则，强度为校核准则，该方法首先依据叶片的。
13、弯矩载荷和变形条件，得到沿叶片展向的惯性矩分布；其次，根据叶片的几何外形设计方案和惯性距分布，设计叶片截面的材料厚度分布；最后，根据各截面的设计，形成叶片的结构设计方案。利用有限差分法形成的设计方案符合等强度梁理论，使叶片展向的应力均匀分布，为设计质量轻、疲劳寿命好、生存能力强的叶片提供技术途径。00446、利用抗弯刚度EII，计算风力机叶片N个横截面的理论惯性距II，I1，2N。00457、根据N个横截面的理论惯性距II确定风力机叶片N个横截面的二维结构即材料厚度分布。0046一般风力机叶片的结构为盒式梁结构和等壁厚结构，下面分别介绍。00471风力机叶片为等厚度叶片结构0048利用公式2得。
14、到风力机叶片N个横截面的厚度YI，I1，2N，0049IIYI2DXIDYI20050其中XI为第I个风力机叶片横截面的二维截面宽度，YI第I个风力机叶片横截面的材料厚度。00512风力机叶片为盒式梁叶片结构0052利用公式3得到风力机叶片N个横截面的材料厚度分布即YIJ，00530054其中I1，2N，J1，2J，J为单个横截面上不同材料厚度的个数，且一般J3。XIJ为第I个风力机叶片横截面的第J个材料厚度的二维截面宽度，YIJ为第I个风力机叶片横截面的第J个材料厚度。0055以第I横截面为例，若分为四个厚度区域，第一个厚度区域的惯性距II1YI1DXI1DYI1，第二个厚度区域的惯性距II。
15、2YI2DXI2DYI2，第三个厚度区域的惯性说明书CN102004838ACN102004851A4/5页6距II3YI3DXI3DYI3，第四个厚度区域的惯性距II4YI4DXI4DYI4，则第I横截面的惯性距其中第一个厚度区域的二维截面宽度XI1取第I横截面翼型15弦长左右，第二厚度区域的二维截面宽度为第I横截面翼型1550弦长之间，第三、第四厚度区域安装设计要求在截面翼型50弦长后选取，令等于步骤6中得到的第I横截面的理论惯性距II，确定每个厚度区域的厚度值。00568、根据所有风力机叶片横截面的二维结构，确定风力机叶片的三维结构。0057以下结合具体实例来详细说明本发明叶片结构确定方。
16、法。0058根据对15WM风力机叶片气动外形优化的结果，叶片的总体参数如表1所示，可能的最大载荷如表2所示，叶片铺层按60/20/20铺层比例，材料采用玻璃/环氧复合材料，材料纵向弹性常数E为43GPA0059表1叶片总体参数00600061表2叶片承受的最大载荷00620063叶片截面设计，在本设计中划分了20个截面。0064根据等强度梁的概念，叶片截面的挠度如表3所示，根据步骤5得到截面抗弯刚度说明书CN102004838ACN102004851A5/5页7如下表所示。00650066设计结果0067根据得到的各截面抗弯刚度和材料弹性模量进行叶片截面设计，得到了叶片截面和展向的材料分布，仅以25、50叶片半径处这两个位置处是完整的翼型的截面为例，如图2、3所示，其他截面类似。图2是站位为1750MM处的截面、图3为站位8750MM处横截面。0068完成各截面的材料厚度设计后，即可根据各截面所在位置完成整个叶片的结构设计。0069本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。说明书CN102004838ACN102004851A1/2页8图1图2说明书附图CN102004838ACN102004851A2/2页9图3说明书附图CN102004838A。