风力机叶片CAD与CAE结合建模计算
航空发动机叶片CAD、CAPP、CAM的思考
航空发动机叶片CAD/CAPP/CAM的思考郭文有1航空技术的发展需要CAD/CAPP/CAM叶片CAD/CAPP/CAM是一个统一完整的系统，在叶片设计和制造过程中，计算机辅助完成叶片设计(CAD)、毛坯制造和机械加工工艺文件的编制(CAPP)、工装设计(CAD)、工装和叶片的数控加工(CAM)等一系列工作。
当今世界航空技术飞速发展，先进的新机种不断出现，其研制周期由将近10年缩短为不到3年，技术寿命也由过去的几十年缩短为十几年甚至更短。
其中一个重要因素是得益于计算机技术的不断发展和应用，特别是CAD/CAPP/CAM的应用，大大提高了飞机设计和制造水平，缩短了研制和生产周期，降低了制造费用，从而加快了航空技术的发展。
发动机是飞机的关键，叶片是发动机的关键零件之一，其特点是结构复杂，品种、数量多，对发动机性能影响大，设计制造周期长，制造工作量约占整台发动机的三分之一。
因此，发动机叶片的设计、制造技术水平对提高发动机性能、缩短研制周期和降低制造费用起着重要的作用。
我国航空发动机叶片的设计、制造至今还没有采用CAD/CAPP/CAM技术。
叶片的研制周期长，水平低，质量差，且经常更改设计，重新制造，拖延了发动机试制周期。
积极开发和应用叶片CAD/CAPP/CAM技术对加速我国航空技术的发展有着十分重要的意义。
图1叶片CAD/CAPP/CAM的主要工作Fig.1Main work of CAD/CAPP/CAM for blade2叶片CAD/CAPP/CAM的主要工作结合我国实际情况，叶片CAD/CAPP/CAM技术开发的初始阶段，应当把由计算机完成叶片设计和制造技术文件编制的主要工作作为首选目标(见图1)，对管理和一些非主要工作可暂不考虑。
2.1叶片CAD叶片CAD最终要设计出完整的叶片几何形状，提供制造用的图纸和计算机文件(软盘、联网数据资料等)，以便在制造中直接查阅和供CAPP/CAM直接使用CAD数据。
大型风力机叶片气动外形设计及三维实体建模研究
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利用CAD技术的风力发电机组三维模型设计与制造
利用CAD技术的风力发电机组三维模型设计与制造风力发电机组是利用风能转化为电能的装置，它由风力发电机和支架组成。
而CAD技术（计算机辅助设计）是一种利用计算机进行工程图形的辅助设计方法。
本文将重点介绍利用CAD技术进行风力发电机组的三维模型设计与制造的过程。
1. 需求分析在进行风力发电机组的三维模型设计与制造之前，首先需要进行需求分析。
我们需要考虑的因素包括风力发电机组的功率、转速、叶片数量等。
通过确定这些参数，我们可以根据实际需求进行三维模型的设计与制造。
2. 三维建模利用CAD技术进行风力发电机组的三维建模是设计与制造的基础。
我们可以根据需求和设计要求，采用CAD软件中的建模工具进行对风力发电机组的建模。
首先，我们需要绘制整个风力发电机组的骨架结构，包括支架和发电机等，然后再逐步添加叶轮、传动系统等细节。
确保模型的每个部分都符合设计要求，并且能够实现正常运转。
3. 材料选择在进行风力发电机组的制造之前，需要选择合适的材料。
这些材料需要具备一定的强度和耐久性，以及适应各种环境条件的要求。
根据模型设计，我们可以确定所需要的材料种类和尺寸，然后选择高质量的材料进行制造。
4. 制造工艺制造风力发电机组的过程需要考虑到材料的加工、组装以及质量控制等问题。
根据三维模型设计，我们可以将模型分解为各个零件，并制定相应的制造工艺流程。
例如，通过数控机床对金属零件进行加工，利用3D打印技术对塑料零件进行制造等。
此外，还需要进行合适的组装过程，确保各个零件的拼接紧密无缝。
5. 模型测试与改进制造完成后，对风力发电机组的三维模型进行测试和改进是必要的。
我们可以利用计算机模拟软件对模型进行动力学分析，检测其在不同工作条件下的性能表现。
根据测试结果，我们可以对模型进行必要的改进和优化，以达到更好的发电效果和可靠性。
综上所述，利用CAD技术进行风力发电机组的三维模型设计与制造需要进行需求分析、三维建模、材料选择、制造工艺和模型测试与改进等步骤。
如何使用CAD进行风力发电机叶片设计与优化
如何使用CAD进行风力发电机叶片设计与优化现如今，风力发电已经成为了可再生能源领域中的一个重要组成部分。
而风力发电机叶片设计作为一个关键环节，直接影响着风力发电机的产能和效率。
在这篇文章中，我们将探讨如何使用CAD软件进行风力发电机叶片的设计与优化。
首先，我们需要明确风力发电机叶片的设计目标。
通常来说，设计师需要考虑到叶片的结构强度、空气动力学性能以及材料的可用性。
然后，我们可以开始使用CAD软件进行叶片的初步设计。
在CAD软件中，我们可以使用参数化建模工具来创建叶片的基本几何形状。
通过调整参数，我们可以轻松地改变叶片的尺寸和曲线形状。
此外，CAD软件还提供了许多辅助工具，如绘制线段、圆弧和曲线等，这些工具可以帮助我们创建复杂的叶片几何形状。
当叶片的基本几何形状设计好后，我们可以通过CAD软件的仿真分析功能进行性能评估。
例如，我们可以使用CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟风场中的气流情况，以评估叶片的空气动力学性能。
通过分析模拟结果，我们可以了解叶片在不同风速下的受力情况，从而进行调整和优化。
为了提高叶片的结构强度，我们可以使用CAD软件进行有限元分析。
有限元分析是一种将结构划分为小块元素，并计算每个元素上的应力、位移等物理量的方法。
通过这种分析，我们可以确定叶片的应力分布情况，并进行必要的修改和优化。
除了基本的叶片设计和性能评估之外，CAD软件还可以提供其他辅助功能，如材料选择和装配设计。
在材料选择方面，我们可以利用CAD软件的数据库，搜索和比较不同材料的物理性质和成本信息，以便选择最适合叶片的材料。
在装配设计方面，CAD软件可以帮助我们将叶片与其他部件进行完美的匹配，并确保装配过程的顺利进行。
最后，一旦叶片设计完成，我们可以使用CAD软件生成详细的工程图纸。
工程图纸包括叶片的各项尺寸、几何形状以及装配细节，这对于实际制造和安装至关重要。
通过CAD软件生成的工程图纸，我们可以确保叶片的制造过程中不会出现尺寸和配合方面的问题。
基于APDL的风力机叶片CAD／CAE一体化建模技术
行 风 轮 叶 片 性 能 模 拟 时 的适 用 性 。
ｋ， ，１ ８ ０，３ ．上 的 基 本 点 就 可 以 在 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ中 绘
制 出来 。
ｋ， ，８ ０， － １ ２ ． ９， ｋ， ，１ ０ ０，－１ １ ． ９，
ｋ， ， １ ２０， －１ ０． ３，
ｋ， ，８ ０， １ ６ ． ４， ｋ， ，１ ０ ０， １ ４ ． ８ ，
ｋ， ， １ ２０， １ ２ ． ７， ｋ， ， １ ４０， １ ０， ｋ， ， １ ６０， ７． １，
ｋ， ，２ ０， １ ３ ． ８，
ｋ， ，２ ５， １ ４． ９， ｋ， ，３ ０， １ ５． ７， ｋ， ，３ ５， １ ６． ３， ｋ， ，４ ０， １ ６． ７， ｋ， ，６ ０， １ ７． １，
ｋ， ，３ ０， － １ ０ ． ８ ，
ｋ， ，３ ５， 一１ １ ． ５， ｋ，， ４ ０， －１ ２， ｋ， ，６ ０， －１ ３，
ｎ ａ ｃ ａ ２３ ０１ ６ ／ｐｒ ｅ ｐ ７ ｋ， ， ｋ， ， ５， ７． １， ｋ， ， １ ０， １ ０． ２， ｋ， ， １ ５， １ ２． ３， ｋ， ，２ ００， ｋ， ， ５， －５． ４， ｋ，， １ Ｏ， －７ ． １，
图３ 生 成 两 个 截 面 的情 形
（ １ ）数 据 源 准备
查 叶 片 翼 型 手 册 ，获 得 Ｎ Ａ Ｃ Ａ ２ ３ ０ １ ６翼 型 基 本 几 何 参 数 。常 用 的 翼 型参 数 均 可 在 手 册 中查 到 ，并 可 作 为 叶片 翼 型建模参数在 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ中以 数 据 库 形 式 储存 备 用 。
风力机叶片立体图的计算机设计绘制
□ 广西大学机械工程学院 陈家权 杨新彦
本文的作者按 照叶片设计的实际过 程，在根据涡流理论 设计叶片参数的基础 上，提出了一种能在 计算机上立体显示叶 片截面及结构的设计 方法，即用基于点的 坐标的几何变换理论 求解叶片各截面在空 间实际位置的三维坐 标，基于三维几何建 模理论，完成了对叶 片的实体建模。
针对上述情况，笔者找到了一 种能够提高叶片CAD质量的叶片计 算机3D绘图方法：首先获取各截面 叶素数据，计算弦长和扭角等主要 参数，然后基于点的坐标的几何变 换求出叶片各截面在空间实际位置 的三维坐标，最后基于3D建模理论 完成叶片计算机3D绘图。
一、风力机叶片的具体 设计方法
1.叶片翼型的选择 现代风力机通常是采用三叶片 的上风或下风结构。风力机叶展形 状、翼型形状与风力发电机的空气 动力特性密切相关。一台好的风力 机应当尽量增加升力并减小阻力， 使 CL / CD 尽量趋于最大值，以增 加风力机的风能利用系数。 叶片通常由翼型系列组成。 由于叶片根部各翼型力臂较小，对 风力机风轮输出扭矩的贡献不大， 所以叶片根部对风力机性能影响较 小，设计时应主要考虑加工方便和 强度问题。应在尖部采用薄翼型以 满足高升阻比的要求；在根部采用 相同翼型或较大升力系数翼型的 较厚形式，以满足结构强度的需 要。典型运行工况下的雷诺数范 围是5×105~2×106。常用的翼型 有NACA44xx系列、NACA644xx系列 和NACA230xx系列等航空翼型；专 用翼型有美国的SERI翼型系列以及 NREL翼型系列、丹麦的RISφ-A系 列翼型和瑞典的FFA-w系列翼型 等，设计时应根据不同的设计需要 选取不同的翼型。翼型数据及其气 动性可参考Profili软件、中国气动 力研究与发展中心的文献等。 2.叶片的弦长和扭角计算 应用涡流理论设计风轮叶片， 把叶片分成若干叶素，分别对各叶 素在最佳运行状态下进行空气动力 学计算。
CAE在复合材料风机叶片的应用
CAE在复合材料风机叶片的应用在风力发电中，要获得较大的风力发电功率，其关键在于具有能轻快旋转的叶片。
叶片的设计除了要求有高效的接受风能的翼型，合理的安装角，科学的升阻比、尖速比和叶片扭角，由于叶片直接迎风获得风能，所以还要求叶片具有合理的结构，优质的材料和先进的材料工艺以使叶片可靠地承受风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力，而且还要要求叶片质量轻、结构强度高、抗疲劳强度高、运行安全可靠、易于安装、维修方便、制造容易、制造成本和使用成本低。
随着CAE技术的发展，所有这些要求均可通过相应的CAE 分析方法，如结构分析、流体分析、工艺分析等来解决。
目前风机叶片的结构分析是风机叶片结构设计的基础之一，主要设计目标：①振动最小或不出现共振；②质量最小；③保证结构的局部稳定或全局稳定；④满足结构强度和刚度要求。
因此复合材料风机叶片结构分析主要涉及模态分析、优化分析、屈曲分析和强度和刚度分析，其中模态分析和强度和刚度分析是目前复合材料风机叶片结构分析中最常使用的两种分析类型。
在风机叶片结构分析中，首先要确定叶片载荷。
根据风机设计标准，载荷工况、非正常载荷工况和事故载荷工况。
正常载荷工况是指风机正在运行、偏航、开机、停机等正常运行期间叶片所受的载荷，须考虑气动力、重力和离心力作用。
非正常载荷工况是指风机在极端风载、安装运输、危险状况等非正常运行期间叶片所受的载荷。
事故载荷工况是指飞车、叶片损坏事故时叶片所承受的载荷。
随着计算机技术的发展，有限元在结构分析中得到广泛应用。
有限元强大的建模和结构分析功能适应叶片的应力、变形、频率、屈曲、疲劳及叶根强度的分析。
风机叶片有限元的特点：①形状不规则（每个截面都不同）；②铺层复杂，过渡层很多；③大量夹层结构（“三明治”结构）；④大量粘结区域；⑤载荷分布不规则。
NASTRAN FX是一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天、机械制造等，尤其在复合材料分析更具优势，可以对复合材料风机叶片进行建模、结构设计、材料研究以及制造工艺提供完整的解决方案。
CAE技术在风电机组设计中的应用
CAE技术在风电机组设计中的应用作者：高俊云来源：《风能》2014年第11期风电机组（Wind Turbine）作为高技术密集型产品，在设计过程中涉及到力学（空气动力学、结构力学、材料力学等）、自动控制（机械控制、电气控制、液压控制等）、机械设计、电机学、高分子材料以及液压等等多门学科，是一个非常复杂的系统工程。
其开发过程大体上可分为概念设计（方案设计）、初步设计、分系统详细设计等阶段，包括叶片设计选型、载荷仿真计算、风轮设计、传动系统设计、偏航系统设计、塔架设计、电气系统设计、安全与控制系统设计、防雷设计等。
如图1所示，风电机组作为一个复杂的系统，各子系统之间相互影响、相互耦合。
由于风电机组受空气动力载荷、重力载荷、惯性载荷（离心力和陀螺力）、运行载荷等的综合作用，各部件在整个寿命周期内承受着冲击性和随机性的载荷。
因此，风电机组的设计具有复杂性、综合性，对可靠性也有非常高的要求，标准要求其设计寿命不低于20年。
随着计算机技术的不断发展，风电机组的设计广泛采用了CAE技术等现代设计方法，使风电机组的设计不断创新和成熟。
而对于开发自有知识产权的风电机组，CAE仿真分析更是其中一个不可或缺的手段。
风电机组设计中CAE技术的主要应用范围计算机辅助工程（Computer Aided Engineering —CAE ）是一种迅速发展的虚拟设计和分析技术，利用计算机对工程和产品的功能、性能、安全可靠性等进行计算、分析、优化设计，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，以及早发现设计缺陷，改进和优化设计方案，证实未来工程和产品的各项性能是否达到设计指标。
CAE是实现重大工程和工业产品的计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件，是支持科学家进行创新研究和工程师进行创新设计的最重要的工具和手段。
作为创新设计的重要手段，CAE技术已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中也已作为必备工具普遍应用。
CAE技术是制造业创新设计的核心技术。
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[1] 陈余岳.大型风力机玻璃钢叶片设计[J].玻璃钢/复合材 料，1998，(4)：17-20.
[2] Bechly ME, Clausen PD. Structural design of a composite wind turbine blade using finite element analysis[J]. Computer Structures, 1997, 63(3): 639-646.
plot(Book1,y,'b')
th=-0.003490658;
x1=Book1*cos(th)-y*sin(th)
y1=y*cos(th)+Book1*sin(th)
plot(x1,y1,'r') 2.3 绘制叶片实体
在 Pro/E 中建新零件，默认坐标系与基准平面。 在 Pro/E 中依次选择“插入” → “模型基准” → “曲 线” → 选择“自文件” → “完成”，再选择曲线所参 照的坐标系，打开.ibl 文件，点击“确定”即可得到各 截面外轮廓线，最后再由“边界混合”得到叶片实体 图如图 3 所示。
⎢ ⎢ ⎢⎣
y
'
⎥ ⎥
r ⎥⎦
，其中
⎧ x'
⎨ ⎩
y
'
= =
xl yl
为了保证曲线拟合的精确性，每个叶素截面上均取
38 个点,而每个点有三个坐标，且整个叶片分成 6 个叶素，所以要完成坐标转换，必须依赖软件计算
实现。Matlab 即“矩阵实验室”（Matrix Laboratory）， 具有强大的数值计算功能。而且通过 Matlab 计算得 出的数据文件可以存储成 Pro/E 能够识别的.ibl 文 件，在做实体建模时可由其与 Pro/E 的接口直接导 入。以某一扭转角为例，Matlab 程序如下：
Preprocessor → Modeling → Operate 对模型进行 一定的修改，直到满足要求。 2.3 设置材料参数
材料参数设置包括选取合适的单元类型、设置单 元截面和材料性能参数。
该叶片整体是由外蒙皮、腹板、主梁三部分组成， 采用复合材料层叠壳 181 单元类型。
壳 181 单元截面定义一般步骤为：先定义截面及 其相关的截面号码，接着定义截面几何数据。这样
[3] 张春丽. 复合材料风力机叶片结构设计. 硕士论文. 北 京:航空航天与力学学院, 2007.
[4] Kong C, Bang J, Sugiyama Y. Structural investigation of compositewind turbine blade considering various load cases and fatigue life[J]. Energy, 2005, 30: 2101-2114.
本文采用的风力机叶片总体性能参数：风轮直径 50 m, 叶片长 25 m；叶片的额定功率为 1 MW；翼 型采用 NA63A61x 系列；最大弦长为 2.23 m；叶尖 弦长为 0.7 m，叶根圆直径为 1.5 m。由于该扭曲的 叶片外形较复杂，本文将整个叶片分成 6 个叶素。
经计算得各弦长和扭转角如图 1 所示，图中菱 形代表弦长，正方形代表扭转角。叶片翼形如图 2
叶片在根部受固定约束，其他部分为自由状态， 其在自重作用下的位移如图 5 所示。结果表明位移 从根部至叶尖逐渐增大，最大位移为 0.184 m。叶片 自重作用下的总弹性应变如图 6 所示。最大应变位 于叶片根部，应变值小于 2000 微应变。该结果与实 验结果比较相近。
图 6 叶片等效应变场等值线图 Fig.6 The contour of equivalent strain of the blade
所示。
图 1 弦长和扭转角分布图 Fig.1 The distribution of the chord and torsion angle
图 2 叶片翼型 Fig.2 The blade airfoil
2.3 数据准备 先从 profili 中读出各个截面上离散点的坐标
(x, y) ,再求解以气动中心为原点的离散点的坐标 (x ', y ') ,最后将坐标系旋转一定角度，即可得点的 空间坐标 (x '', y '', z) ，用矩阵形式可表示为：
可以直观定义层的厚度、材料、铺层角等。材料铺
层参照文献[3,4]，如表 2 所示。其中 A：[ 0D ]板，厚 度为 1.2×10-3 m；B：[ ±45D ]角，厚度为 0.6×10-3 m； C：( 0D 90D )角，厚度为 2×10-3 m。A、B、C 三种
材料性能参数如表 3 所示。
编号
表 2 材料铺层设计方案
2 叶片有限元分析 在 ANSYS 中建立风力机叶片有限元模型大致可
分为三步，即导入叶片实体模型、设置材料参数以 及划分网格。 2.1 实体模型导入
将在 Pro/E 中生成的实体模型存储为 ANSYS 能识别的 IGES 文件，利用其与 ANSYS 接口将模型 导入。具体的 GUI 操作命令为：Untility Menu → file → Import → IGES ， 接 着 运 用 以 下 三 步 骤
MODELING AND CALCULATION OF WIND TURBINE BLADE USING CAD AND CAE
Jinfan Fei Xiaoyu Zhang Zhuoqiu Li Dong Liu
(Science College, Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070 )
摘 要 大型风力机叶片外形复杂多变，用有限元计算之前建立一个准确的三维实体模型是关键。而 CAE 的建模功能却是分析的瓶颈，就需要在建模功能更为强大和方便的 CAD 环境中进行建模工作。本文以 25m 风力 机叶片为例，先在 CAD 中建立精确的叶片实体模型，再将模型导入 CAE 中进行分析。这样能大大简化工作量， 为后续计算提供基础。
关键词 风力机叶片，CAD，实体建模，CAE，有限元建模
0 引言 能源是人类社会发展不可缺少的三大动力之一。
现今石油、煤炭等化学燃料正慢慢的消失殆尽。寻 求一种能够替代以上能源的新型并且可再生的能源 是当务之急。目前在可再生能源中,除水电以外,风电 最具有商业开发条件。风力机正是可以将风能转化 为电能的重要工具。而风力机叶片是风力机的核心 部件,是风力机进行能量转换的重要组成部分[1]。然 而,为了更有效的捕捉风能，叶片往往都采用复杂多 变的气动外形。同时现今的高性能风力机叶片都采 用玻璃纤维或碳纤维复合材料铺层结构制造而成, 如何能在建模中准确的表达它的铺层结构也成为对 叶片建模的一大重点和难点[2]。ANSYS 作为最通用 的 CAE 软件，虽具有全面并强大的计算分析功能， 但是一旦遇上复杂多变的模型，它建模的局限性便 显现无疑。而在做计算分析前，建立准确的模型是 前提。Pro/E 是一种拥有强大绘图功能的 CAD 软件， 特别是对于形状复杂的实例，它更是解决问题的关 键。 1 叶片 CAD 实体建模
* 通讯作者: Tel：15926425626 Email:feijinfan@
专辑
费金凡等：风力机叶片 CAD 与 CAE 结合建模计算
• 39 •
⎡ x" ⎤ ⎡cosθ
⎢ ⎢
y"
⎥ ⎥
=
⎢ ⎢
sin θ
⎢⎣ z ⎥⎦ ⎢⎣ 0
− sinθ cosθ
0
0⎤ ⎡x' ⎤
0⎥⎥ 1⎥⎦
表 3 材料性能参数
Table3 The material property parameters
材 Ex
料 (GPa)
Ey
(GPa)
G xy
(GPa)
ν xyρ(g/cm3) NhomakorabeaA
40
8
15.3
0.3
1.8
B
25
15
9.6
0.3
1.8
C
40
8
15.3
0.3
1.8
图 3 叶片实体模型 Fig.3 The solid model of the blade
第 29 卷 专 辑 2008 年 12 月
固体力学学报 CHINESE JOURNAL OF SOLID MECHANICS
Vol.29 S.Issue December 2008
风力机叶片 CAD 与 CAE 结合建模计算
费金凡* 张小玉 李卓球 刘 冬
（武汉理工大学理学院，武汉，430070）
图 5 叶片等效位移场等值线图 Fig.5 The contour of equivalent displacement of the blade
3 结语 本文先在 CAD 软件 Pro/E 中建立了风力机叶片
的实体模型，再导入 CAE 软件 ANSYS 中进行有限 元计算，计算风力机叶片在自重载荷下的叶尖变形 与实验测试结果基本一致。 本文所做工作表明结合 CAD 与 CAE 软件对风力机叶片进行建模计算能大 大减少工作量，并且能为后续的叶片强度、稳定性 等计算打好基础。
图 4 叶片有限元模型 Fig.4 The finite element model of blade
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固体力学学报
2008 年第 29 卷
2.3 网格划分 由于叶片形状的复杂性，叶片不同位置处单元
属性、材料性能都不相同，所以应分段划分网格。 划分好网格后应检查划分结果好坏，以免为后面的 计算造成影响。风力机叶片有限元模型如图 4 所示。 2.4 结果分析
Key words wind turbine blade, CAD, solidwork, CAE, FEM