风力发电叶片模态分析:基于Beam单元的建模与APL命令流

基于Beam单元建模的风力发电叶片模态分析(附APL命令流&模型文件)的图1


问题描述



  针对 风力发电叶片涡轮叶片机翼这种几何形状复杂的模型分析,一种 典型的建模方法就是使用壳单元或者实体单元创建叶片的三维有限元模型。 但是,但需要修改设计,设计中一点微小的变化可能就会导致三维模型的完全重建,针对这样复杂的三维模型的反复重建是不方便的。 在初步设计阶段,为初步计算叶片的整体机械响应,简化模型是一种便捷的方法。

本文基于ANSYS中Beam单元先进的截面建模能力,以最小的建模工作量和计算成本对复合材料的涡轮叶片进行了模态分析。

主要包含:

  • Beam单元介绍
  • 建模与分析过程 Beam单元介绍

  •   Beam单元可以模拟不同种截面类型的梁,主要有:(1)ANSYS预定义的截面,如图有11种常见的梁截面形状;(2)更具惯性矩、面积等信息用户自定义的任意截面;(3)用户根据面网格的定义的截面。
     
  • 后文我们主要是利用这里可以将面网格做过梁单元截面功能进行叶片截面,有点类似与几何建模种扫描方式。
     

基于Beam单元建模的风力发电叶片模态分析(附APL命令流&模型文件)的图4


建模与分析过程


步骤一:建立梁截面几何形状,并划分网格,每个截面通过命令secwrite保存为一个网格文件。

以9个截面表示叶片的不同段的截面形状,其中两个截面形状之间是线性过渡的,
基于Beam单元建模的风力发电叶片模态分析(附APL命令流&模型文件)的图6

步骤二:材料指定

这种叶片一般由复合材料制造,因此这里涉及到各项异性材料定义。分别定义各个方向的模量,泊松比等材料属性。


mp,ex,1,12000e06
mp,ey,1,12000e06
mp,ez,1,9500e06
mp,nuxy,1,0.38
mp,nuyz,1,0.18
mp,nuxz,1,0.18
mp,gxy,1,9300e06
mp,gyz,1,6033e06
mp,gxz,1,6033e06
mp,dens,1,1750



步骤三:根据步骤一中建立的截面网格定义梁的截面信息。


有了步骤一中的几何截面,那么如何定义梁的截面是我在步骤一中建立的几何截面呢。主要是通过sectype,secread命令建立的。 sectype是用来指定梁截面是从网格定义的, secread为读取网格文件。可以用 Beam单元介绍中的任意截面代替这里的MESH。如建立工字形截面:sectype,1,beam,I


sectype,1,beam,mesh ! 指定梁单元截面类型
secread,mesh1,sect,,mesh !读取前面定义的截面网格文件,作为梁单元截面。

可以通过GUI方式查看相应的截面形状

基于Beam单元建模的风力发电叶片模态分析(附APL命令流&模型文件)的图7

步骤四:定义7个变截面的梁单元截面类型

前面定义梁单元截面只是定义了叶片在某个位置的截面形状,各个截面之间是通过线性过渡的,截面是变化的,因此需要定义变截面类型的梁单元。

定义变截面梁单元需要指定初始梁截面和末端梁截面。

下命令流中的ID指的是梁截面编号。


SECTYPE,ID,taper        ! 指定梁单元截面类型为变截面
SECDATA,ID,           ! 起始截面SECDATA,ID,           ! 末端截面
步骤5:创建一条线,并进行梁单元划分,对不同段线条进行不同的梁截面划分。
type,beam188  !梁单元
secnum,ID     !梁截面选择
lmesh,        !线网格划分

基于Beam单元建模的风力发电叶片模态分析(附APL命令流&模型文件)的图8

可以通过命令/GLINE,1,-1使梁单元显示截面形状,来查看具体有限元模型。(这里去除了网格线的显示)

基于Beam单元建模的风力发电叶片模态分析(附APL命令流&模型文件)的图9


步骤5:定义边界条件、进行模态分析

针对这样复杂的一个模型可以简化为几十个梁单元进行模型,计算成本大大减少,在10阶固有频率内的求解精度基本可以达到5%内。


/soluantype,modal   ! select modal analysis    
modopt,lanb,10mxpand,10, , ,yes    ! expand 10 mode shapes
solve
finish

总结

本文没有重点讲细节,只是为了抛砖引玉,利用好Beam复杂截面的建模能力可以使很多复杂模型的建立变得简单。

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