本發(fā)明涉及參數(shù)化的復(fù)雜曲面建模，尤其涉及一種風(fēng)機(jī)葉片建模方法。
背景技術(shù)：
：風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的核心部件，其成本占整個風(fēng)機(jī)組成本15％-20％，并且風(fēng)機(jī)葉片采用合理的結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的材料和科學(xué)的工藝才能使其能承擔(dān)風(fēng)力、自重和離心力等載荷給予的各種彎矩與拉力，這樣才能保證整個風(fēng)電機(jī)組的整體性能和發(fā)電效率。而建立風(fēng)機(jī)葉片模型并對其進(jìn)行載荷分析，存在以下問題：(1)葉片結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，建模耗費(fèi)大量的時間和精力，而簡化的模型精度一般。(2)對三維模型的有限元模型的建立，修改和網(wǎng)格劃分上需要花費(fèi)大量的時間。(3)ansys中包含的命令更多的偏向于建模和有限元分析，但是在數(shù)值計(jì)算和矩陣操作方面較為不足。(4)葉片模型的網(wǎng)格化在數(shù)值模擬過程中非常耗時，同時網(wǎng)格質(zhì)量情況決定著數(shù)值模擬結(jié)果的精確程度甚至決定數(shù)值模擬是否收斂，而葉片曲面復(fù)雜，每個截面的厚度都不同，所以無論采用自由網(wǎng)格劃分還是映射網(wǎng)格劃分，都不能得到質(zhì)量高的網(wǎng)格。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種風(fēng)機(jī)葉片建模方法，其采用參數(shù)化建模方法對復(fù)雜曲面的風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行三維建模和有限元建模和計(jì)算，為設(shè)計(jì)研發(fā)階段提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和力學(xué)性能評估，同時本發(fā)明提供了解決上述問題的風(fēng)機(jī)葉片建模方法：(1)在建立三維模型時，采用分段建模的方法，然后再合成一體，可以減少建模的復(fù)雜性和時間長度。(2)本發(fā)明采用hypermesh軟件，其是一個高性能的有限元前后處理器，提供高度交互及可視化的環(huán)境進(jìn)行仿真分析工作。與其他的有限元前后處理器比較，hypermesh的圖形用戶界面易于學(xué)習(xí)，特別是它支持直接輸入已有的三維cad幾何模型(ug、pro/e和catia等)已有的有限元模型，并且導(dǎo)入的效率和模型質(zhì)量都很高，可以大大減少很多重復(fù)性的工作。(3)本發(fā)明采用matlab和ansys共同進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化，由于matlab是功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件，具有豐富的矩陣操作命令和數(shù)值計(jì)算函數(shù)，可以方便和快速的使用優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對象設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，因此利用matlab軟件計(jì)算得到實(shí)際三維坐標(biāo)點(diǎn)，并導(dǎo)入ansys中進(jìn)行參數(shù)化建模。(4)本發(fā)明采用的專業(yè)軟件hypermesh。在cae(compueraidedengineering)領(lǐng)域中，hypermesh最突出的特點(diǎn)是具有強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格前處理和后處理，并且能直接與cad幾何模型和有限元模型對接，以減少建模的重復(fù)工作，高質(zhì)量的自動網(wǎng)格劃分，極大地簡化復(fù)雜幾何的有限元建模過程。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種采用參數(shù)化建模方法對復(fù)雜曲面的風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行三維建模和有限元建模的風(fēng)機(jī)葉片建模方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種風(fēng)機(jī)葉片建模方法，包括：將制造數(shù)據(jù)處理成適用于三維建模軟件的葉片幾何參數(shù)；將所述葉片幾何參數(shù)導(dǎo)入到所述三維建模軟件中以建立葉片三維模型；將所述葉片三維模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理以建立葉片網(wǎng)格模型；將所述葉片網(wǎng)格模型進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)以建立復(fù)合材料葉片有限元參數(shù)化模型。進(jìn)一步地，還包括：在所述復(fù)合材料葉片有限元參數(shù)化模型上，進(jìn)行載荷的施加和約束以計(jì)算相關(guān)力學(xué)參數(shù)。進(jìn)一步地，所述制造數(shù)據(jù)處理包括采用matlab編程方式將離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)處理成所述三維建模軟件能夠識別的數(shù)據(jù)格式。進(jìn)一步地，所述三維建模軟件采用catia軟件。進(jìn)一步地，所述將所述葉片幾何參數(shù)導(dǎo)入到所述三維建模軟件中以建立葉片三維模型包括以下步驟：將所述葉片幾何參數(shù)導(dǎo)入到所述三維建模軟件中，并且利用曲面造型功能建立葉片外形輪廓；根據(jù)所述葉片外形輪廓將葉片分為至少2個葉片段，并且對每個葉片段分別建立葉片段模型；將所有葉片段模型合并成一個完整的葉片模型。進(jìn)一步地，所述網(wǎng)格化處理包括采用hypermesh軟件對所述葉片的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理。進(jìn)一步地，所述網(wǎng)格化處理包括以下步驟：根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)將所述葉片的三維模型分組；對每個組分別進(jìn)行網(wǎng)格化處理。進(jìn)一步地，所述葉片結(jié)構(gòu)包括主梁、腹板、前緣和后緣。進(jìn)一步地，采用apdl語言結(jié)合matlab在ansys中建立復(fù)合材料葉片有限元參數(shù)化模型。進(jìn)一步地，所述鋪層設(shè)計(jì)包括沿葉片軸向進(jìn)行分段鋪層，直至葉尖位置。進(jìn)一步地，所述分段鋪層包括以下步驟：沿葉片軸向?qū)⑷~片分段成多個子葉片段；對每一子葉片段，獲取所述子葉片段的鋪層坐標(biāo)向量，根據(jù)所獲取坐標(biāo)向量對應(yīng)的坐標(biāo)位置依次對該葉片段進(jìn)行多層的鋪層。進(jìn)一步地，所述力學(xué)參數(shù)包括最大揮舞、最小揮舞、最大擺振和最小擺振。根據(jù)本發(fā)明提供的風(fēng)機(jī)葉片建模方法，采用編程手段進(jìn)行自動三維建模和自動有限元建模，采用分段建模思路和分段鋪層方法大大提高了建模效率和確保了復(fù)合材料鋪層建模的準(zhǔn)確性，最后計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果精度可以控制在10％以內(nèi)。以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。附圖說明圖1是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的風(fēng)機(jī)葉片建模方法示意圖；圖2是截取的葉片分段模型1結(jié)構(gòu)圖；圖3是截取的葉片分段模型2結(jié)構(gòu)圖；圖4是截取的葉片分段模型3結(jié)構(gòu)圖；圖5是截取的葉片分段模型4結(jié)構(gòu)圖；圖6是葉片整體模型結(jié)構(gòu)圖；圖7是葉片精確模型結(jié)構(gòu)圖；圖8是葉片部分精確模型圖；圖9是葉片部分網(wǎng)格模型圖；圖10是鋪層apdl代碼的流程圖；圖11是葉片剖面結(jié)構(gòu)圖；圖12是載荷位置示意圖；下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和某型號風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，采用編寫的程序?qū)ζ溥M(jìn)行三維自動建模和有限元鋪層建模，最后計(jì)算其靜力學(xué)和模態(tài)，與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的對比。幾何建模工具采用三維建模軟件catiap3v5r20；有限元網(wǎng)格劃分采用hypermeshv12.0工具；計(jì)算軟件采用ansys；在生成apdl代碼過程中，采用matlab編程工具。第一步：采用matlab制作數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(制作數(shù)據(jù)是從已有的葉片獲取結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化后的數(shù)據(jù))，生成catia三維建模軟件所識別的數(shù)據(jù)格式，即使用matlab將離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)處理成可以導(dǎo)入catia的數(shù)據(jù)格式。第二步：將已處理的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入三維建模軟件catia中，使用幾何坐標(biāo)點(diǎn)自動插值生成曲面的功能建立葉片的外形模型。具體操作如下：(2.1)在catia安裝目錄下找到\intel_a\code\command\gsdpointsplineloftfromexel.xls文件。(2.2)將葉片幾何數(shù)據(jù)寫入gsdpointsplineloftfromexel.xls文件中(2.3)單擊菜單“工具”→“宏”，運(yùn)行fueil1.main后輸入3，即可放樣生成曲面。其中放樣是將一個二維形體對象作為沿某個路徑的剖面轉(zhuǎn)換成其相對應(yīng)的三維模型。例如“宏”的運(yùn)行方式是多點(diǎn)成線，多線成面，具體是選多個沿葉片長度方向的截面，然后將各截面曲線離散的多個點(diǎn)輸入，通過樣條曲線生成曲線，然后將個條曲線連接形成葉片外形輪廓，這個葉片外形輪廓是簡化的葉片外形，下面需要建立精確的葉片外形三維模型。但是，由于葉片形狀不規(guī)則，包含的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)太多，一次性整體建模所需電腦運(yùn)行時間較長，因此為了建模方便快速，將葉片分為多段(需要分的段數(shù)可以根據(jù)電腦性能和時間來考量，一般分為幾十段)，然后分別同時每個葉片段的建模再合并成一個模型的方式來縮短建模時間，具體采用一下步驟：將葉片分成多個葉片段，并且對每個葉片段分別建立葉片段模型。例如，如圖2-5所示，從葉片根部到尖部截取出4個有代表性結(jié)構(gòu)的葉片分段模型。將所有葉片段模型合并成一個完成的葉片模型。例如，如圖6所示。更加優(yōu)選的方案，對葉片模型結(jié)構(gòu)包括外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(例如主梁1、2、腹板3、4、前緣5和后緣6)進(jìn)行進(jìn)一步的構(gòu)建和劃分，以建立葉片精確三維模型，例如，如圖7和圖8所示。第三步：將葉片的外形模型導(dǎo)入到hypermesh中后，將葉片的各個部分切分出來，主要是將主梁、腹板、前緣以及后緣進(jìn)行切分，以得到葉片精確的幾何外形。例如，如圖11所示，將葉片模型按照葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分組，即分別將主梁1、2、腹板3、4、前緣5和后緣6劃分成各個組，然后對每個葉片結(jié)構(gòu)(即每個組別)進(jìn)行模態(tài)分析前期網(wǎng)格化處理，也是為后面鋪層進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)葉片形狀不規(guī)則，曲面復(fù)雜，需要在尺寸較大的部分將網(wǎng)格劃分的稀一些，以減少計(jì)算量，而在尺寸小及形狀變化劇烈的部分則將網(wǎng)格劃分得密一些，以保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。因此運(yùn)用hypermesh自動網(wǎng)格劃分功能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分，例如，如圖9所示的葉片網(wǎng)格模型圖，該模型根據(jù)葉片形狀選取了多個節(jié)點(diǎn)，并且根據(jù)這些節(jié)點(diǎn)劃分了多個高精度殼單元。第四步：根據(jù)葉片鋪層方案圖紙，對大梁與腹板布置和葉片主體進(jìn)行有限元建模葉片鋪層，采用matlab編程的方式編寫鋪層apdl代碼，即沿著葉片半徑方向分段生成鋪層代碼，直至葉尖位置。由于風(fēng)機(jī)葉片受力復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特殊、有精度要求等特點(diǎn)，故采用合理的鋪層設(shè)計(jì)，可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，主要包括：(1)葉片各截面的構(gòu)造；(2)各截面鋪層材料的選擇和厚度的計(jì)算，所以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減輕重量以更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的效能。對復(fù)合材料葉片鋪層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即在滿足某種約束條件使各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。在鋪層材料的選擇，例如葉片的最外層為蒙皮，蒙皮主要的功能提供葉片的氣動外形，同時承擔(dān)部分彎曲載荷和大部分剪切載荷。蒙皮的層狀結(jié)構(gòu)包括膠衣層、玻纖氈增強(qiáng)層、強(qiáng)度層等，膠衣層提供光滑的氣動表面，以提高葉片的氣動性能，玻纖氈增強(qiáng)層提供緩沖，強(qiáng)度層為蒙皮的承載層，獲取以上復(fù)合材料的參數(shù)，進(jìn)行有效計(jì)算，達(dá)到鋪層設(shè)計(jì)的需求。如圖10所示，鋪層apdl代碼的流程包括：(4.1)沿葉片軸向?qū)⑷~片分段成多個子葉片段，例如分為子葉片段1、子葉片段2、……、子葉片段n。(4.2)獲取子葉片段i的鋪層坐標(biāo)向量，對子葉片段i進(jìn)行m層的鋪層，其中i為循環(huán)變量參數(shù)，i＝1,2,…,n,例如當(dāng)i的值為2時，獲取子葉片段2的鋪層坐標(biāo)向量，然后根據(jù)獲取的子葉片段2的鋪層坐標(biāo)向量相應(yīng)的坐標(biāo)位置調(diào)用第1層鋪層函數(shù)以實(shí)現(xiàn)第一層的鋪層，調(diào)用第2層鋪層函數(shù)以實(shí)現(xiàn)第二的鋪層，……，調(diào)用第m層鋪層函數(shù)以實(shí)現(xiàn)第二的鋪層，然后i自動累加，進(jìn)入到下一個子葉片段的，重復(fù)循環(huán)上面鋪層的流程，即獲取子葉片段3的鋪層坐標(biāo)向量，然后根據(jù)獲取的子葉片段3的鋪層坐標(biāo)向量相應(yīng)的坐標(biāo)位置調(diào)用第1層鋪層函數(shù)以實(shí)現(xiàn)第一層的鋪層，調(diào)用第2層鋪層函數(shù)以實(shí)現(xiàn)第二的鋪層，……，調(diào)用第m層鋪層函數(shù)以實(shí)現(xiàn)第n的鋪層，依次循環(huán)，直至子葉片段n的m層鋪層完成，達(dá)到葉片的尖點(diǎn)位置，整個葉片模型的鋪層完成。更好的優(yōu)選方案，對子葉片段i進(jìn)行m層鋪層時，由于葉片不同結(jié)構(gòu)所使用的鋪層材料也不同，所以可以根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)來劃分不同的區(qū)域進(jìn)行分別鋪層，例如，如圖11所示，將葉片段i劃分為主梁1、2、腹板3、4、前緣5和后緣6部分，分別對這些部分進(jìn)行m層鋪層操作。另外，可以利用matlab軟件計(jì)算得到實(shí)際三維坐標(biāo)點(diǎn)，并導(dǎo)入ansys中進(jìn)行參數(shù)化建模。每隔一個單位長度選取1個截面。由于葉尖主要起降低噪聲的作用，對葉片整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小，在建立有限元模型時去葉尖部分，采用shell99和shell91兩種3d殼體單元模擬葉片結(jié)構(gòu)。而matlab和ansys的聯(lián)合優(yōu)化：將matlab和apdl語言結(jié)合進(jìn)行二次開發(fā)，基于葉片三維形狀擬合的方法，將matlab計(jì)算所得的葉片空間三維數(shù)據(jù)點(diǎn)按照特定的格式輸出保存，然后用apdl語言編制程序宏文件與matlab建立數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制，建立參數(shù)化模型，例如首先通過matlab自帶ga函數(shù)調(diào)用其優(yōu)化工具箱中遺傳算法完成算法優(yōu)化，然后通過文本文檔作為中介進(jìn)行matlab和ansys的數(shù)據(jù)傳遞，最后matlab通過system命令調(diào)用ansys批處理模式完成適應(yīng)度計(jì)算。第五步：根據(jù)所提供的載荷位置和載荷大小進(jìn)行約束和載荷的施加。即可計(jì)算其力學(xué)行為，獲取所需的力學(xué)參數(shù)，其中力學(xué)參數(shù)包括最大揮舞、最小揮舞、最大擺振和最小擺振等。例如，如圖12所示，以不同加載方式對葉片9個位置11、12、13、14、15、16、17、18、19進(jìn)行施壓，以測量最大揮舞、最小揮舞，其測量結(jié)果如下：從測量結(jié)果看出沿葉片軸向到尖部的最大揮舞、最小揮舞都是逐漸增大，直至尖部最大。載荷位置最大揮舞最小揮舞位置111270.61481.9位置122541.12963.7位置132811.74445.6位置145082.35927.5位置156352.97409.3位置167623.48891.2位置17889410373位置181016511855位置191143513337第六步：計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比研究如下表所示，是計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，其最后模態(tài)分析后的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果之間誤差控制在10％以內(nèi)。以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本
技術(shù)領(lǐng)域：
中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁12