[发明专利]基于三维壳有限元-梁模型的风力机叶片位移计算方法

摘要

本发明公开了一种基于三维壳有限元‑梁模型的风力机叶片位移计算方法，在该计算方法中将叶片三维壳有限元模型等效为梁模型，梁模型的节点与截面参考中心重合，对叶片叶根进行完全约束，在壳有限元模型的自由端分别施加6个独立的单位载荷，基于梁模型柔度矩阵的节点位移计算公式，只需要求解一次各梁模型柔度矩阵，在载荷已知情况下，通过做简单的矩阵乘法，可以直接计算出叶片各气动中心的位移，极大提高在叶片气弹耦合、弯扭耦合特性分析计算中叶片弹性变形的计算效率。

主权项

1.一种基于三维壳有限元‑梁模型的风力机叶片位移计算方法，其特征在于包括如下计算步骤：1)依据叶片的铺层、翼型和材料数据，建立叶片三维壳有限元模型，壳有限元模型包含n个横向的截面，将叶片三维壳有限元模型等效为梁模型，梁模型的节点与截面参考中心重合，对叶片叶根进行完全约束，在壳有限元模型的自由端分别施加6个独立的单位载荷，其中包括3个相互垂直的力载荷和3个绕力载荷逆时针方向的力矩载荷，形成6种工况；2)计算每种载荷工况下，叶片各个截面参考中心的位移，式中，(u,v,w)为叶片壳有限元模型上任意节点(x,y,z)的位移；(U,V,W)为截面参考中心的线位移，(ψ_x,ψ_y,ψ_z)为截面参考中心的角位移；将各个截面参考中心的位移代入下式，得到每个截面的位移矩阵D_i；3)根据壳有限元模型的自由端施加的单位载荷，计算每个横向截面的载荷矩阵F_i式中，L为叶片长度，L_i为第i个截面距离叶片约束端的距离，i＝1～n；4)根据位移矩阵D_i和载荷矩阵F_i，计算出叶片各悬臂梁模型的6×6柔度矩阵C_iC_i＝D_iF_i^‑15)根据每种工况下作用于叶片叶素的载荷f_i、叶片梁模型的柔度矩阵C_i和载荷矩阵F_i，计算得到作用在第j(j＝1,2,…,i‑1)个截面的气动载荷在i截面引起的刚体位移和作用在第j(j＝i,i+1,…,m)个截面的气动载荷作用在i截面引起的变形式中，M_ij为转换矩阵，其计算公式如下式中，L_j为第j个截面距离叶片约束端的距离，j＝1～n；6)根据刚体位移及变形计算梁模型各节点的位移d_i7)重复步骤5)和6)，可计算不同载荷下的叶片梁模型节点位移。