[发明专利]一种风力机叶片气弹风洞试验模型制作方法

说明书

本发明公开了一种风力机叶片气弹风洞试验模型制作方法，包括风力机叶片气弹模型合理简化相似准则、气弹模型等效截面设计方法、气弹模型框段/外衣制作方法。首先基于运动等效推导了风力机叶片气弹模型合理简化相似准则；接着提出变分渐进等效截面法设计了高精度的等效风电叶片模型异形截面，实现叶片气弹模型气动‑刚度‑质量缩尺映射的气弹模型设计；最后依靠高精度3D打印获得气弹模型框段，再通过连接肋单点拼接全长模型、镂空区填充轻木片打磨外衣、后缘粘贴配重铅片、前缘粘贴粗糙条和缝隙填充海绵完成气弹模型框段/外衣制作。本发明补充了现有国内外风力机叶片气弹模型设计制作方法的不足。

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种风力机叶片气弹风洞试验模型制作方法。

背景技术

在当今风电机组的超大功率发展下，风电叶片的超长柔细化趋势显著，由此带来的结构/气动双重非线性导致叶片气弹风振问题突出，相关风电叶片风毁事件也屡次发生。气弹风洞试验是研究强非线性气动弹性运动机理及模态能量集聚特性的有效方式，是现有风工程领域公认可行有效的重要手段，在大跨桥梁、高耸建筑、大跨空间结构及个别特种结构上已成熟应用。然而风力机叶片受限于其渐变连续翼型、复合铺层与主梁一体化受力结构、三心一轴(质心、剪心、几何中心和中性轴)的展长持续变化特性和预弯等结构因素，再加上大缩尺比叶片模型的夸张展弦比带来的测点布置难、采集干扰性强和测量精度低等试验因素，现有国内外尚未有公开可查的风电叶片三维气弹风洞试验研究。

气弹风洞试验模型需要模拟结构的质量、刚度和阻尼等结构特性，同时需要风洞流场与实际风场遵循同一流动微分方程，满足流体运动缩尺相似。由于实际流动的复杂性，缩尺风洞试验将所有相似准则同时满足是不可能实现的，现有相似理论一般基于实际流动过程的主要作用力推导该结构类型的决定性相似准则。目前可查气弹风洞试验的模型设计制作方法分为单自由度、多自由度和连续气弹三种方法，不同结构气弹模型的既有制作方法差别较大，尚未有公认气弹模型制作方法能够兼顾模型制作的简便性、精确性和通用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种风力机叶片气弹风洞试验模型制作方法，补充了现有国内外风力机叶片气弹模型设计制作方法的不足。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种风力机叶片气弹风洞试验模型制作方法，其中：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、以气弹模型框段/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。

本发明的进一步的优化方案为：

步骤一中，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气弹风洞试验模型结构。

步骤三中，气弹模型框段/外衣制作方法包括分段3D打印气弹模型框段，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。

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：