[发明专利]一种风电叶片主梁结构简化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于风电叶片结构设计技术领域，特别涉及一种风电叶片主梁结构简化设计方法，用于大型风电叶片主梁或细长薄壳纤维复合材料结构的初步设计。

背景技术

风电叶片为不规则的扭曲非对称复合材料壳体构件，是风电机组的核心部件，风电叶片的设计直接决定着整机的性能和制造成本。随着风电机组单机容量的不断增加，风电叶片越来越长，对其设计技术的要求也不断提高。风电叶片设计可分为两个阶段，即气动设计阶段和结构设计阶段，在前一阶段通过选择风电叶片几何最佳外形实现年发电量最大的目标，结构设计阶段包括风电叶片材料选择和确定风电叶片结构形式等，从而实现风电叶片强度、刚度、稳定性等目标。

结构设计过程包括初步结构设计、详细结构设计和优化、校核分析等。其中，初步结构设计包含了初始载荷的确定、风电叶片结构形式设计、风电叶片材料的选择、复合材料铺层厚度计算等内容。初步结构设计计要求快速合理确定风电叶片结构，解决风电叶片结构从无到有的问题，为后续的详细设计和优化提供原始参数和优化对象。对于风电叶片设计经验丰富的设计者，可以选择性套用原有风电叶片的结构，但是对于普通设计者，则需要明确的设计原则和方法。

本方法就风电叶片初步结构设计方法进行研究，首先在确定初始载荷的基础上，完成风电叶片主梁等主要承载结构的初步设计方案，从而形成高效、快速的风电叶片初步结构设计方法。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了一种风电叶片主梁结构简化设计方法，本发明在风电叶片结构分析的基础上，建立了其主要承载结构-主梁的简化设计方法，建立了主梁截面简化模型，并给出了考虑弯曲和剪切应力的风电叶片主梁结构参数计算方法。

一种风电叶片主梁结构简化设计方法包括以下步骤：

1)将风电叶片分为n个截面，根据风电机组所处风场风况条件和机组运行状态，计算风电叶片各横截面所受载荷，确定风电叶片各截面极限载荷，n的取值范围为5-20；

2)进行风电叶片截面的简化，风电叶片的结构不规则，为了方便计算将风电叶片截面简化为相对于弦线对称结构，并将主梁简化为矩形，且根据风电叶片主梁承担主要弯矩，忽略蒙皮的抗弯刚度，将集中设计风电叶片主梁部分结构参数；

3)抗剪腹板厚度计算：抗剪腹板采用双向纤维铺层，其厚度的计算可根据风电叶片截面所受剪切力确定，本方法采用下式计算风电叶片抗剪腹板厚度t_db：

t_db＝max[0.000875C，6×t_db-ply]

上式中，t_db-ply为双向纤维层单层的厚度；C为风电叶片截面弦长；

4)风电叶片截面挥舞方向的等效抗弯刚度采用下式计算：

EI＝E_udI_ud+E_dbI_db

上式中，E_ud为主梁帽单向纤维层弹性模量，E_db为抗剪腹板双向纤维层弹性模量；I_ud为主梁帽的挥舞方向转动惯量；I_db为主梁腹板的挥舞方向转动惯量；

由于已经将风电叶片截面进行了简化，所以使用下面的公式计算I_ud和I_db；

Iud=atud(t-tud)22]]>

Idb=t3tdb8]]>