[发明专利]一种风力机叶片气弹风洞试验模型制作方法

权利要求书

1.一种风力机叶片气弹风洞试验模型制作方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、基于运动等效推导风力机叶片气弹模型合理简化相似准则；

步骤二、以等效截面设计方法作为风力机叶片气弹模型等效截面设计方法，

步骤三、以风力机叶片气弹模型框段或外衣制作方法做为风力机叶片气弹模型制作方法，进而制作出风力机叶片气弹风洞试验模型；

步骤一中，所述的合理简化相似准则包括流体运动相似推导的风速比、时间比和频率比；相同无量纲参数要求的密度比和阻尼比；结构运动相似推导的质量比和刚度比；

步骤二中，风力机叶片气弹模型等效截面设计方法包括基于复合截面分析获取复合材料叶片的挥舞、摆动和扭转三向刚度、基于拓扑优化等效截面设计获取符合三向缩尺刚度和三心一轴要求的风力机叶片气弹模型结构；

步骤三中，风力机叶片气弹模型框段或外衣制作方法包括分段3D打印风力机叶片气弹模型框段，通过连接肋完成全长结构框段拼接，在围护填充后实现气动外形封闭，最后在气动补偿措施后完成风力机叶片气弹风洞试验模型的制作；

步骤二中，采用通长梁架、刚度主梁或围护框段进行等效截面设计；

所述的流体运动相似具体为：风力机叶片所在流场的空气为低速、不可压缩、牛顿粘性流，其流体运动方程为：

式中，x_i为流体运动方程广义表达式中拉普拉斯算子的第一个坐标系主轴方向；x_j为流体运动方程广义表达式中拉普拉斯算子的第二个坐标系主轴方向，其中i，j＝1，2，3为坐标系序号；u_i分别为在直角坐标系x,y,z方向的流体运动速度分量；t为时间；f_i为在直角坐标系x,y,z方向的流体外力；ρ为空气密度；P为压强；ν为空气的动力粘度，ν＝μ/ρ，μ为空气的运动粘度；x,y,z分别为直角坐标系三主轴向；

引用符号λ_X表示模型的X_m同原型的X_a之比，即λ_X＝X_m/X_a，其中X_m为模型变量X的值；X_a为实际变量X的值，带*的变量为模型变量，不带*的原型变量，λ_t、λ_l、λ_u、λ_f、λ_v和λ_ρ分别为时间、几何、速度、附加外力、动力粘度、密度的比值，且均为常数；则原型和模型物理量之间的关系与流体的运动方程可以采用下式来表示∶

t＝λ_tt^*，P＝λ_pP^*，f＝λ_ff^*，ν＝λ_νν^*，ρ＝λ_ρρ^*

对式所有项乘以得：

为保证原型和模型流体运动的相似性，物理量的比值需满足：

因此，风力机叶片气弹风洞试验流体运动相似准则的无量纲参数：

即

St为斯托拉哈数，若两种流动的斯托拉哈数相等，则流体的非定常惯性力是相似的；对周期性非定常流动，反映其周期性相似；

即

Re为雷诺数；若两种流动的雷诺数相等，则流体的粘性力相似；对于雷诺数较大的湍流，惯性力起主导作用，粘性力相对较小；

即

Fr为佛劳德数；若两种流动的佛劳德数相等，表示流动的重力作用相似，反映重力对流体的作用；若流体所受的质量力只有重力，f＝f*＝g，则

即

Eu为欧拉数。

2.根据权利要求1所述的一种风力机叶片气弹风洞试验模型制作方法，其特征是：步骤二中，风力机叶片气弹模型等效截面设计方法在获得基于复合截面分析获取复合材料叶片的挥舞、摆动和扭转三向刚度的基础上，建立考虑各向异性复合铺层材料、叶片的预弯、主梁、腹板和异形胶合粘接细节的风力机叶片全尺度有限元模型，对其截面特性进行精确的求解；接着基于所述风力机叶片气弹模型合理简化相似准则进行风力机叶片气弹模型目标截面特性缩尺换算；在此基础上，以模型目标外轮廓与目标截面特性为截面设计目标，通过截面拓扑优化设计方法迭代调整截面局部尺寸与构件划分，获取风力机叶片气弹模型沿展向的变分渐进等效截面。