一種快速生成風電葉片有限元網格的方法
自2005年起，國內風力發電機組風輪葉片設計核心技術發展迅速，截止到目前，國內大部分整機企業及主要葉片生產企業都具備了葉片結構設計能力。
風電葉片結構設計的一個重要步驟是使用有限元軟件來計算葉片的強度、模態、失穩等項目岡。而做有限元計算的步是建立良好的網格。目前業內建立有限元網格的方法主要有兩種：一種是直接使用FOCUS 6生成的網格;另一種是在三維軟件中將葉片三維模型分區，然后在前處理軟件中將每個分區轉化網格。前者優點是不需額外工時可直接使用，但是網格質量不好，根部的網格容易發生扭轉，計算的應變不平滑。后者的優點是網格比較精細，但從開始準備到完成網格需要幾個工作日。一旦葉片內部結構部件的定位發生變化，需要完全操作一遍，費時費力。另外也有相關的參數化建模的報道，方便快捷建立有限元網格。
本文的目的是以葉片二維截面為基礎，研究出另外一種參數化建模方法，網格生成速度快，所得的網格均勻，葉片內部部件定位參數容易改變。
風電葉片的主要內部結構
風電葉片的結構主要分為三部分：根部圓柱段、中部氣動翼型段、尖部段。根部圓筒段結構簡單，主要是純玻璃鋼。中部氣動翼型段內部結構復雜，如圖1所示。尖部段外形為氣動翼型，一般僅為玻璃鋼薄殼。
下面分別簡要說明中部氣動翼型段中各個部件在橫截面中所占區域以及其作用。
葉片主梁基本是單向織物，主要承擔葉片所受到的揮舞和擺振方向的載荷以及軸向載荷腹板為三明治結構，主要起到支撐兩面大梁的作用，而且承受剪切載荷前緣、后緣殼體為三明治結構，其中的芯材為輕木或者PVC。前后緣殼體和主梁形成氣動外形，起到捕獲風能的作用輔梁主要提高葉片擺振方向剛度，有利于延長葉片后緣疲勞壽命以及提高后緣抗失穩能力環氧膠粘劑被用在前緣、腹板與兩面主梁的結合處、后緣結合處，作用是將葉片的兩面殼體和兩塊腹板粘合成一個整體。
葉片單個截面的分區
圖1所示的結構復雜，而且各個區域所用材料不同，那么在有限元里面應該劃分為不同的分區?？紤]到詳細的結構設計，將葉片截面分成了如圖2所示的36個區域，每個區域內分又為若千個網格單元。
實現原理
圖3顯示了本文研究此網格生成的原理?？梢苑譃槿缦聨讉€步驟進行。
坐標系和原始主要截面將葉片主要截面按照圖2中所示坐標系進行排布。基于此坐標系，需要分別提出SS、PS兩面曲線的坐標點數據，同時腹板也處于豎直方向。
插值獲得新截面數據圖3中的粗線代表葉片主要截面，其間距較大，從幾十厘米到幾米不等，不適用于直接做有限元網格。相鄰兩主要截面之間需要插值獲得新截面坐標數據此新截面間距可以根據所需網格大小進行調整，因為相鄰新截面間距等于將來有限元網格單元的長度。
變量輸入為了用數據直接驅動各部件在截面內的定位，需要輸入以下一些數據：
大梁寬度和大梁中心線在Y軸上的位置數據；在Y軸方向上，兩面腹板中心離大梁中心線的距離；兩腹板的粘接寬度；后緣輔梁的層數及層輔梁離；后緣合?？p的弧線距離；前緣的粘接寬度；后緣粘接的定位數據。
通過修改以上定位數據，各種部件在網格中的定位可以直接被修改，非常方便。
在所有截面上計算出葉片各個部件邊界點葉片截面中有主梁、腹板、后緣輔梁等區域，下面簡要介紹如何找出其邊界點。這些邊界點如圖2中虛線與葉片外輪廓線的交點。
主梁：通過插值得到兩面主梁中心線點分別在其對應弧線上的投影點，再根據大梁的寬度，找到主粱兩個側勸存名自弧線上的對應點。
腹板：通過與大梁相似的辦法找到腹板中心在各自弧線上的投影點。再根據腹板的粘接寬度，找到粘接區域的邊界。
輔梁：輔梁的定位參照后緣合?？p，以曲線長度計，找出輔梁在后緣殼體的定位邊界點。
前緣膠粘劑：以前緣合?？p為參照，通過插值找出前緣膠粘劑分別在兩面內的邊界點。
在所有新截面上計算出其他等分節點。在所有的邊界點找到之后，需要將每個區域劃分成若千線段，并計算出新節點的坐標數據。
組合節點成單元因為所有截面的節點數相同，所以相鄰截面相同區域內的節點是容易對應的。在組合成單元之前，需要對所有的節點按照相同的循環規則進行編號。然后再通過逆時針或者順指針組合方式將節點號按照Nastran或其他某種有限元單元格式寫成單元信息。
作者將以上的網格建立方法用MATLAB語言編制成了自動程序，后獲得四邊形網格單元。圖4顯示了一段使用此自動程序計算所得的網格?？梢姶司W格比較均勻。如網格的長寬比需要調節，可以控制相鄰截面的距離和每個區域內的單元數量。
有時會發現個別網格的內角之和大于180度，可以在有限元軟件中將其分為兩個三角形即可解決，或者調整局部的截面間距，或者調整特定分區內的單元數量。
結論
此技術的原理比較簡單，可以使用MATLAB程序實現所有的邏輯和數值運算，方便快速地繪制出良好的有限元網格。此網格可以用于ANSYS或者NASTRAN等有限元軟件。
本文對一個59m葉片進行了實驗，設定相鄰插值截面的間距為50mm，每相鄰兩個截面組成的單元數為200個。結果是快速獲得了平滑的網格。此網格經賦予材料屬性后，成功地進行了應變、失穩計算。所得應變平滑，無因網格奇異而產生的應力集中等缺陷。
大梁、腹板、輔梁的定位都以數據驅動，非常方便調節。特別是當輔梁的層數有所變化時，程序自動調整輔梁區域的總寬度，從而避免了在葉片三維模型上再進行分區消耗時間。如果要調節腹板的位置，只需通過調整腹板與大梁中心的距離即可。
此研究將會大幅度縮短葉片有限元建模時間。那么在相同研發周期內可以做更多次的優化設計，有助于降低材料成本和提高公司在葉片設計方面的競爭力。
從根部到尖部所有截面上的節點數相同，從而會導致尖部狹小區域同一截面內相鄰兩節點的距離特別靠近，以致葉片尖部區域很難采用此技術畫出網格。所以將來的工作是實現尖部截面變節點數，引入三角形單元。那么此項技術將會更加完美。
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風電葉片結構設計的一個重要步驟是使用有限元軟件來計算葉片的強度、模態、失穩等項目岡。而做有限元計算的步是建立良好的網格。目前業內建立有限元網格的方法主要有兩種：一種是直接使用FOCUS 6生成的網格;另一種是在三維軟件中將葉片三維模型分區，然后在前處理軟件中將每個分區轉化網格。前者優點是不需額外工時可直接使用，但是網格質量不好，根部的網格容易發生扭轉，計算的應變不平滑。后者的優點是網格比較精細，但從開始準備到完成網格需要幾個工作日。一旦葉片內部結構部件的定位發生變化，需要完全操作一遍，費時費力。另外也有相關的參數化建模的報道，方便快捷建立有限元網格。
本文的目的是以葉片二維截面為基礎，研究出另外一種參數化建模方法，網格生成速度快，所得的網格均勻，葉片內部部件定位參數容易改變。
風電葉片的主要內部結構
風電葉片的結構主要分為三部分：根部圓柱段、中部氣動翼型段、尖部段。根部圓筒段結構簡單，主要是純玻璃鋼。中部氣動翼型段內部結構復雜，如圖1所示。尖部段外形為氣動翼型，一般僅為玻璃鋼薄殼。
下面分別簡要說明中部氣動翼型段中各個部件在橫截面中所占區域以及其作用。
葉片主梁基本是單向織物，主要承擔葉片所受到的揮舞和擺振方向的載荷以及軸向載荷腹板為三明治結構，主要起到支撐兩面大梁的作用，而且承受剪切載荷前緣、后緣殼體為三明治結構，其中的芯材為輕木或者PVC。前后緣殼體和主梁形成氣動外形，起到捕獲風能的作用輔梁主要提高葉片擺振方向剛度，有利于延長葉片后緣疲勞壽命以及提高后緣抗失穩能力環氧膠粘劑被用在前緣、腹板與兩面主梁的結合處、后緣結合處，作用是將葉片的兩面殼體和兩塊腹板粘合成一個整體。
葉片單個截面的分區
圖1所示的結構復雜，而且各個區域所用材料不同，那么在有限元里面應該劃分為不同的分區?？紤]到詳細的結構設計，將葉片截面分成了如圖2所示的36個區域，每個區域內分又為若千個網格單元。
實現原理
圖3顯示了本文研究此網格生成的原理?？梢苑譃槿缦聨讉€步驟進行。
坐標系和原始主要截面將葉片主要截面按照圖2中所示坐標系進行排布。基于此坐標系，需要分別提出SS、PS兩面曲線的坐標點數據，同時腹板也處于豎直方向。
插值獲得新截面數據圖3中的粗線代表葉片主要截面，其間距較大，從幾十厘米到幾米不等，不適用于直接做有限元網格。相鄰兩主要截面之間需要插值獲得新截面坐標數據此新截面間距可以根據所需網格大小進行調整，因為相鄰新截面間距等于將來有限元網格單元的長度。
變量輸入為了用數據直接驅動各部件在截面內的定位，需要輸入以下一些數據：
大梁寬度和大梁中心線在Y軸上的位置數據；在Y軸方向上，兩面腹板中心離大梁中心線的距離；兩腹板的粘接寬度；后緣輔梁的層數及層輔梁離；后緣合?？p的弧線距離；前緣的粘接寬度；后緣粘接的定位數據。
通過修改以上定位數據，各種部件在網格中的定位可以直接被修改，非常方便。
在所有截面上計算出葉片各個部件邊界點葉片截面中有主梁、腹板、后緣輔梁等區域，下面簡要介紹如何找出其邊界點。這些邊界點如圖2中虛線與葉片外輪廓線的交點。
主梁：通過插值得到兩面主梁中心線點分別在其對應弧線上的投影點，再根據大梁的寬度，找到主粱兩個側勸存名自弧線上的對應點。
腹板：通過與大梁相似的辦法找到腹板中心在各自弧線上的投影點。再根據腹板的粘接寬度，找到粘接區域的邊界。
輔梁：輔梁的定位參照后緣合?？p，以曲線長度計，找出輔梁在后緣殼體的定位邊界點。
前緣膠粘劑：以前緣合?？p為參照，通過插值找出前緣膠粘劑分別在兩面內的邊界點。
在所有新截面上計算出其他等分節點。在所有的邊界點找到之后，需要將每個區域劃分成若千線段，并計算出新節點的坐標數據。
組合節點成單元因為所有截面的節點數相同，所以相鄰截面相同區域內的節點是容易對應的。在組合成單元之前，需要對所有的節點按照相同的循環規則進行編號。然后再通過逆時針或者順指針組合方式將節點號按照Nastran或其他某種有限元單元格式寫成單元信息。
作者將以上的網格建立方法用MATLAB語言編制成了自動程序，后獲得四邊形網格單元。圖4顯示了一段使用此自動程序計算所得的網格?？梢姶司W格比較均勻。如網格的長寬比需要調節，可以控制相鄰截面的距離和每個區域內的單元數量。
有時會發現個別網格的內角之和大于180度，可以在有限元軟件中將其分為兩個三角形即可解決，或者調整局部的截面間距，或者調整特定分區內的單元數量。
結論
此技術的原理比較簡單，可以使用MATLAB程序實現所有的邏輯和數值運算，方便快速地繪制出良好的有限元網格。此網格可以用于ANSYS或者NASTRAN等有限元軟件。
本文對一個59m葉片進行了實驗，設定相鄰插值截面的間距為50mm，每相鄰兩個截面組成的單元數為200個。結果是快速獲得了平滑的網格。此網格經賦予材料屬性后，成功地進行了應變、失穩計算。所得應變平滑，無因網格奇異而產生的應力集中等缺陷。
大梁、腹板、輔梁的定位都以數據驅動，非常方便調節。特別是當輔梁的層數有所變化時，程序自動調整輔梁區域的總寬度，從而避免了在葉片三維模型上再進行分區消耗時間。如果要調節腹板的位置，只需通過調整腹板與大梁中心的距離即可。
此研究將會大幅度縮短葉片有限元建模時間。那么在相同研發周期內可以做更多次的優化設計，有助于降低材料成本和提高公司在葉片設計方面的競爭力。
從根部到尖部所有截面上的節點數相同，從而會導致尖部狹小區域同一截面內相鄰兩節點的距離特別靠近，以致葉片尖部區域很難采用此技術畫出網格。所以將來的工作是實現尖部截面變節點數，引入三角形單元。那么此項技術將會更加完美。
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