一种叶片模具钢结构挠度的估算方法与流程

1.本发明属于叶片模具刚度预测技术领域，具体涉及一种叶片模具钢结构挠度的估算方法。


背景技术：

2.风电叶片模具用于复合材料风电叶片的制备成型，由叶片模具钢结构与蒙皮构成。在风电叶片模具的初始设计阶段，设计工程师需要对主承载钢架的刚度有一定预估。而叶片模具钢架是不规则的变截面空间杆系，无法直接使用经典梁理论对挠度进行计算。
3.目前，通常需要在商用仿真分析软件中进行分析，但是，在商用仿真分析软件中分析，需要经过建模、划分网格、施加荷载、求解等过程，时间较长，专业要求较高，给设计人员带来不便。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是提供一种叶片模具钢结构挠度的估算方法，大大降低了设计人员对专业软件的依赖，简化工具的同时，计算过程也相对简单，不需要精确的几何模型，不用考虑导入模型的干涉、网格划分的合理性等，可以缩短设计周期，减少成本投入。
5.为了解决上述问题，本发明提供一种叶片模具钢结构挠度的估算方法，包括以下步骤：s1. 根据杆件横截面相对原始横截面形心轴的惯性矩相等的原则，将叶片模具钢结构等效转化为等截面的等效模型；s2. 根据所述叶片模具钢结构的等效模型得到所述叶片模具钢结构的截面惯性矩；s3. 根据所述叶片模具钢结构的截面惯性矩计算得到所述叶片模具钢结构的挠度。
6.优选地，步骤s1具体为：将所述叶片模具钢结构的每一节作为一个单元块，根据杆件横截面相对原始横截面形心轴的惯性矩相等的原则，将每个所述单元块分别等效转化为等截面的等效模型，然后将所有所述单元块的所述等效模型依次组合，得到所述叶片模具钢结构的整体的等效模型。
7.优选地，将所有所述单元块的所述等效模型依次组合后，还与所述叶片模具钢结构的根部立柱杆件组的等效模型进行组装，得到所述叶片模具钢结构的整体的等效模型。
8.优选地，步骤s1中，对每个所述单元块进行等效转化时，将每个所述单元块分为包含立柱杆件的立柱杆件组和不包含立柱杆件的非立柱杆件组，对所述立柱杆件组和所述非立柱杆件组分别等效转化为等截面的等效模型，然后将所述立柱杆件组的等效模型与所述非立柱杆件组的等效模型组装，得到所述单元块的等效模型；所述立柱杆件组包含一根上横撑、一根下横撑、两根面内斜撑和两根立柱，所述非
立柱杆件组包含两根上主梁、两根下主梁、两根侧面斜撑和一根底面斜撑。
9.优选地，对所述非立柱杆件组进行等效转化时，将所述非立柱杆件组分为ⅰ、ⅱ、ⅲ三个区域，ⅰ区域包含一根上主梁和一根侧面斜撑，ⅱ区域包含两根下主梁和一根底面斜撑，ⅲ区域包含一根上主梁和一根侧面斜撑；对所述ⅰ区域、所述ⅱ区域、所述ⅲ区域分别等效转化为等截面的等效模型，然后将所述ⅰ区域、所述ⅱ区域、所述ⅲ区域的等效模型按照相对位置进行组装，得到所述非立柱杆件组的等效模型。
10.优选地，将所述ⅰ区域等效转化为长度不变的等截面的第一矩形截面构件，指定所述第一矩形截面构件的截面高度为所述i区域的杆件外轮廓高度方向的最大尺寸，按照转化前后杆件横截面相对原始横截面形心轴的惯性矩相等的原则，确定所述第一矩形截面构件的截面宽度。
11.优选地，将所述ⅱ区域等效转化为长度不变的等截面的第二矩形截面构件，指定所述第二矩形截面构件的截面宽度为所述ⅱ区域的杆件外轮廓宽度方向的最小尺寸，按照转化前后杆件横截面相对原始横截面形心轴的惯性矩相等的原则，确定所述第二矩形截面构件的截面高度。
12.优选地，将所述ⅲ区域等效转化为长度不变的等截面的第三矩形截面构件，指定所述第三矩形截面构件的截面高度为所述ⅲ区域的杆件外轮廓高度方向的最大尺寸，按照转化前后杆件横截面相对原始横截面形心轴的惯性矩相等的原则，确定所述第三矩形截面构件的截面宽度。
13.优选地，对所述立柱杆件组进行等效转化时，将所述立柱杆件组等效转化为等截面的空心矩形截面构件，所述空心矩形截面构件的截面的高和宽分别等于所述非立柱杆件组的等效模型的截面的高和宽。
14.优选地，步骤s3中，根据虚功原理，依据所述叶片模具钢结构的截面惯性矩计算得到所述叶片模具钢结构的简支部分的最大挠度和叶尖悬臂部分的最大挠度。
15.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：1. 在叶片模具的初始设计阶段，设计工程师需要对主承载钢架的刚度有一定预估，但又无需对结构进行详尽的分析。与通常的商用有限元软件结构分析过程相比，本发明的叶片模具钢结构挠度的估算方法大大降低了设计人员对专业软件的依赖，只需要纸和笔即可对钢架变形进行评估；2. 本发明的叶片模具钢结构挠度的估算方法，与商业有限元结构分析方法相比，本方法在简化工具的同时，计算过程也相对简单，不需要精确的几何模型、完全不用考虑导入模型的干涉、网格划分的合理性等，可以缩短设计周期，减少成本投入。
附图说明
16.图1是本发明实施例1中叶片模具刚结构的结构示意图；图2是本发明实施例1中叶片模具刚结构单元块的结构示意图；图3是本发明实施例1中叶片模具刚结构单元块中立柱杆件组的结构示意图；图4是本发明实施例1中叶片模具刚结构单元块中非立柱杆件组的结构示意图。
17.其中：1-立柱杆件组；2-非立柱杆件组；3-上横撑；4-下横撑；5-面内斜撑；6-立柱；7-上主梁；8-下主梁；9-侧面斜撑；10-底面斜撑。
具体实施方式
18.下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.实施例1本实施例所述的一种叶片模具钢结构挠度的估算方法，包括以下步骤：s1.将叶片模具钢结构的每一节作为一个单元块，根据杆件横截面相对原始横截面形心轴的惯性矩相等的原则，将每个单元块分别等效转化为等截面的等效模型，然后将所有单元块的等效模型依次组合，再与叶片模具钢结构的根部立柱杆件组的等效模型进行组装，得到叶片模具钢结构的整体的等效模型；叶片模具钢架是由立柱杆件组（包含立柱的杆件集合）和非立柱杆件组（不含立柱的杆件集合）两种不同类型的杆件集合组成，每一个立柱杆件组和相应的非立柱杆件组构成一个能够代表叶片模具钢架结构特点的杆件集合，可称作一个单元块，叶片模具钢架是由数个结构相同、尺寸和性能差异的单元块构成。因此，可将叶片模具钢结构的每一节作为一个单元块，将每个单元块分别等效转化为等截面的等效模型，然后将所有单元块的等效模型依次组合，得到整体的等效模型。
20.具体地，包括以下步骤：s101. 取叶片模具钢架中一个单元块进行分析：如图1、2、3、4所示，对每个单元块进行等效转化时，将每个单元块分为包含立柱杆件的立柱杆件组1和不包含立柱杆件的非立柱杆件组2，对立柱杆件组1和非立柱杆件组2分别等效转化为等截面的等效模型，然后将立柱杆件组的等效模型与非立柱杆件组的等效模型组装，得到单元块的等效模型；如图1所示，立柱杆件组1包含一根上横撑3、一根下横撑4、两根面内斜撑5和两根立柱6，非立柱杆件组2包含两根上主梁7、两根下主梁8、两根侧面斜撑9和一根底面斜撑10；s102. 对非立柱杆件组进行等效转化：在任意轴向位置建立横截面，沿轴线观察，非立柱杆件组横截面为轴对称图形，对称轴是一条垂直于钢架底部平面的竖直线，可记作y-y轴，按照左、下、右的顺序，将非立柱杆件组分为ⅰ、ⅱ、ⅲ三个区域，ⅰ区域包含一根上主梁和一根侧面斜撑（位于横截面y-y轴左侧），ⅱ区域包含两根下主梁和一根底面斜撑，ⅲ区域包含一根上主梁和一根侧面斜撑（位于横截面y-y轴右侧），与ⅰ区域关于y-y轴对称；根据材料力学知识，受均布荷载q作用下的简支梁挠曲线方程如式1和式2所示，简支梁的挠度，与横截面上的弯矩成正比，与材料弹性模量和截面惯性矩成反比，当材料和弯矩不变时，截面惯性矩决定挠度的大小。材料相同时，按照横截面惯性矩相等原则，对非立柱杆件组ⅰ、ⅱ、ⅲ区域的杆件分别进行横截面等效转化。
21.式1
式2将ⅰ区域等效转化为长度不变的等截面的第一矩形截面构件，指定第一矩形截面构件的截面高度h1等于i区域的杆件外轮廓高度方向的最大尺寸，按照转化前后杆件横截面相对原始横截面形心轴的惯性矩相等的原则，确定第一矩形截面构件的截面宽度k1；见下式3、式4；将ⅱ区域等效转化为长度不变的等截面的第二矩形截面构件，指定第二矩形截面构件的截面宽度k2等于ⅱ区域的杆件外轮廓宽度方向的最小尺寸，按照转化前后杆件横截面相对原始横截面形心轴的惯性矩相等的原则，确定第二矩形截面构件的截面高度h2；见下式5、式6；将ⅲ区域等效转化为长度不变的等截面的第三矩形截面构件，指定第三矩形截面构件的截面高度为ⅲ区域的杆件外轮廓高度方向的最大尺寸，按照转化前后杆件横截面相对原始横截面形心轴的惯性矩相等的原则，确定第三矩形截面构件的截面宽度；因为与ⅰ区域杆件关于y-y轴对称，ⅲ区域杆件转化的矩形截面构件与ⅰ区域相同，无须另行计算，只需把ⅰ区域的等效构件按照y-y轴进行对称即可； 式3式4式5式6其中，分别表示转化前，非立柱杆件组ⅰ、ⅱ、ⅲ区域相对中性轴的截面惯性矩，由已知横截面尺寸可计算得到；：分别表示等效转化后，非立柱杆件组ⅰ、ⅱ、ⅲ区域相对横截面中性轴的截面惯性矩；把ⅰ区域、ⅱ区域、ⅲ区域转化后的矩形截面构件按照相对位置进行组装，组装后是一个开口朝上的槽型等截面构件，得到非立柱杆件组的等效模型，槽型构件总宽度为k2，总高度为h1 h2；s103. 对立柱杆件组进行等效转化：立柱杆件组包含一根上横撑、一根下横撑、两根面内斜撑和两根立柱（形成三个三角形或者两个三角形和一个五边形）。沿钢架轴向观察，是等截面的构件。在任意横截面上，上下横撑和两根立柱组成封闭的矩形。ei称为构件的抗弯刚度，在e不变的情况下，i（截面惯性矩）成为抗弯性能的表征。考虑到面内斜撑的加强作用，按照截面惯性矩不变的原则，
立柱杆件组可转化为等截面的空心矩形截面构件；立柱杆件组等效构件横截面的高和宽与非立柱杆件组等效构件横截面的高和宽分别相等。即：高度：h
l
=hf=h1 h2式7宽度：k
l
=kf=k2式8其中，h
l
为立柱杆件组等效构件的横截面的总高度；hf为非立柱杆件组等效构件的横截面的总高度；k
l
为立柱杆件组等效构件的横截面的总宽度；kf为非立柱杆件组等效构件的横截面的总宽度。
22.s104. 将立柱杆件组的等效模型与非立柱杆件组的等效模型按照顺序组装，得到不规则单元块的等效模型，等效模型具有规则的外形，可以更简便的用函数表示出等效模型的横截面面积；s105.将所有单元块的等效模型依次组合，再与叶片模具钢结构的根部立柱杆件组的等效模型进行组装，得到具有较规则外形的叶片模具钢结构的整体的等效模型；s2. 根据叶片模具钢结构的等效模型得到叶片模具钢结构的截面惯性矩，表达式如下式9；式9其中，表示整体个叶片模具钢结构的横截面惯性矩，分别表示第n个非立柱杆件组、第n个立柱杆件组的等效横截面惯性矩，x表示叶片模具钢结构任意横截面到叶根的直线距离。
23.s3.根据虚功原理，计算得到叶片模具钢结构简支部分的最大挠度d
简支
和叶尖悬臂部分的最大挠度d
悬臂
，由此得到钢架的变形趋势及最大挠度值，作为设计师进行叶片模具钢架设计和优化的依据。
24.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。