[发明专利]一种风电叶片主梁结构简化设计方法

摘要

本发明公开了属于风电叶片结构设计技术领域的一种风电叶片主梁结构简化设计方法。它包括以下步骤：1)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；2)进行风电叶片截面的简化；3)抗剪腹板厚度计算；4)风电叶片截面挥舞方向的等效抗弯刚度计算；5)确定风电叶片主梁帽厚度。本发明的有益效果为：1)本发明可解决风电叶片结构设计中从无到有的问题。2)本发明避免了复合材料的复杂计算过程，降低了设计计算的难度，可用于风电叶片结构的快速初步设计。3)本发明计算过程中建立了材料弯曲应力与风电叶片主梁帽宽度、厚度的关系，此关系亦可用于风电叶片主梁的优化设计中，用于优化风电叶片主梁的重量。

主权项

一种风电叶片主梁结构简化设计方法，其特征在于，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tdb：tdb＝max[0.000875C，6×tdb‑ply]上式中，tdb‑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＝EudIud+EdbIdb上式中，Eud为主梁帽单向纤维层弹性模量，Edb为抗剪腹板双向纤维层弹性模量；Iud为主梁帽的挥舞方向转动惯量；Idb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Iud和Idb； I ud = at ud ( t - t ud ) 2 2 I db = t 3 t db 8 上面的两个公式中，t为风电叶片翼型厚度，是已知量；tud为风电叶片主梁帽厚度；将上面的两个公式代入EI＝EudIud+EdbIdb中，可得到主梁等效抗弯刚度和主梁帽厚度的关系： EI = E ud at ud ( t - t ud ) 2 2 + E db t 3 t db 8 5)确定风电叶片主梁帽厚度：根据梁理论，风电叶片截面的最大弯曲应力将发生在风电叶片最大厚度处，其值用下式表示： σ = E ud · M y EI · t 2 上式中，My是风电叶片所受弯矩，在步骤1)的载荷计算中已经得到，σ是材料的许用应力，它通过复合材料手册查到，是已知量；将上式和和 EI = E ud at ud ( t - t ud ) 2 2 + E db t 3 t db 8 联立，计算出主梁帽单向纤维层厚度tud；通过步骤1)‑步骤5)，分别确定风电叶片主梁抗剪腹板和主梁帽的材料厚度，从而确定了风电叶片主梁的结构。