9.6 风电叶片

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如何在UG中构建风电叶片三维模型
杨阳-宁波大学
1年前
浏览11899
第一步：叶片基本数据
第二步：叶片截面缩放及扭转
第三步：导入UG建模
本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了在UG软件中构建DTU 10 MW风电叶片三维模型的过程。首先，准备好叶片每个截面对应的翼型二维坐标、弦长和扭角数据。然后，根据叶片截面的弦长和扭角，对翼型二维坐标进行缩放和旋转。接着，将处理后的坐标数据导入UG中，通过“样条”命令创建曲线，并使用“通过曲线组”命令完成叶片实体建模。本文提供的详细步骤和示例数据，有助于读者理解和掌握在UG中建立风电叶片三维模型的方法。
好久不见，停更40多天充分说明：家里不是一个学习工作的地方。在上海隔离结束后一个礼拜，就回老家了，几乎忘记了所有与学习和工作的事情。
今天跟大家分享一下刚上研究生时学会的一项技能：在UG中建立风电叶片三维模型。
建立叶片三维模型是开展风轮CFD或叶片结构动力学（铺层设计、模态分析等）研究必不可少的一步。通常，叶片几何外形主要通过叶片径向弦长、扭角分布和各截面对应的翼型定义。
风电叶片一般采用5种以上标准翼型，靠近叶根处采用相对厚度较大的翼型，叶中及叶尖部分为了取得较好气动性能，翼型相对厚度一般较小。
以DTU 10 MW风电叶片为例，该叶片采用5种不同厚度的FFA系列翼型。近叶根处采用相对厚度为60%的FFA-W3-600翼型，从叶片中部一直到叶尖处，均采用相对厚度为24.1%的FFA-W3-241翼型。叶根到叶尖的截面相对厚度从100%逐渐递减至24.1%。

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DTU 10 MW 叶片几何外形
在UG中构建叶片几何模型分为三步：①准备好叶片每一个截面对应翼型的二维归一化坐标文件和 弦长、扭角数据；②根据叶片截面弦长和扭角，对该截面翼型的二维坐标（x,y）进行相应的放大和旋转变换，z方向坐标即为该截面当地半径；③将每个截面的曲线通过UG中的“样条（即将失效）”导入到UG中，并通过“通过曲线组”命令完成叶片实体建模。
第一步：叶片基本数据
在欧盟INNWIND项目资助下，DTU联合Vestas设计了10MW叶片，其相关气动外形和结构设计数据均已公开于DTUGitLab。叶片弦长、扭角、相对厚度和气动中心叶片径向的分布规律下载链接：https://rwt.windenergy.dtu.dk/dtu10mw/dtu-10mw-rwt/-/tree/master/excel；
FFA系列翼型的二维坐标文件下载链接：https://rwt.windenergy.dtu.dk/dtu10mw/dtu-10mw-rwt/-/tree/master/geometry/airfoils；更详实的坐标文件也可在“CFD”路径下二维CFD数据的“Grid”中的Prof.dat。

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DTU 10 MW 叶片弦长、扭角和相对厚度
第二步：叶片截面缩放及扭转
叶片截面缩放及扭转分为三步：①首先，平移翼型，使得翼型气动中心为坐标原点；②根据截面扭角大小，对翼型坐标进行旋转变换；③根据弦长大小，对翼型坐标进行缩放。
这一步的坐标变换实现公式为：

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叶片截面弦长、扭角示意
第三维坐标z即为该截面当地半径。下图为第二个截面三维坐标数据。UG默认长度单位为mm，因此z坐标保持不变为5443mm。可以通过编程，循环转换每一个截面的坐标，并保存到对应的文件中。

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DTU10MW叶片第二个截面转换后的坐标数据
第三步：导入UG建模
打开UG，在命令栏中搜索“样条”，找到“样条（即将失效）”命令，为便利下一次使用，可将该命令添加到工具栏。

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UG中“样条（即将失效）”命令（注意：此命令非“样条”命令）
点击“样条（即将失效）”命令，①选择“通过点”；②设置“多段”、“封闭曲线”、“1次曲线”，选择“文件中的点”；③在弹出窗口中选择上一步生成的坐标文件，点击“OK”，再点击“确定”。至此，一条曲线已成功导入。

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导入一条曲线步骤
在本例中，DTU10MW叶片被分为40个有效截面，需要重复步骤①~③ 40次，完成所有截面曲线导入。

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导入所有截面曲线
导入曲线完成后，选择“曲面”→“通过曲线组”命令，左键单击曲线1，中键确认选择，再选择曲线2，中键确认，以此完成40条曲线的“点击”和“确认”，即可完成叶片实体建模。

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“通过曲线组”命令连接各个曲线，构建三维模型

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风电叶片三维建模——程序代码 (附件可下载)
杨阳-宁波大学
3年前
浏览14251
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了叶片设计的关键步骤，包括确定翼型、弦长和扭角以构建叶片外形。叶片截面坐标变换涉及比例缩放、旋转和平移过程，可通过编程实现。文章还提供了三维坐标转换程序的使用说明，包括输入文件定义和UG建模步骤。该程序可快速生成叶片截面坐标数据，并导入UG进行建模，简化了叶片设计流程。
正如吴站长所言：“时间就像一头野驴，转起来就没个停”。一转眼，已经断更整整3个月了。隐身了这么长时间，我这头骡子也该出来溜溜了。
最近总有人问起叶片三维建模的问题。因为风电叶片外形确实不是规则图形，属于复杂曲面，所以在2021年2月2日这个有点2的日子，我发过一篇文章，介绍了如何通过UG建立叶片的三维模型。还非常“热情地”承诺下期发布15MW叶片建模的录屏。
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不过由于当时还没入职，用的笔记本电脑早就到了退休的年纪，录频画叶片的时候一直很卡，就把这个事情无限期延后了，虽然心中一直耿耿于怀，但由于工作比较忙，就没有更新。
自出道以来，杨老师给人的印象除了靠谱之外，就是俩字：让人放心。
如今被“上门问罪了”，在诚实守信的形象即将倒塌之际，必须出来向这592个读者兑现承诺了。所以今天就再次啰嗦一下，如何通过UG建立风电叶片的三维模型。
-01-
叶片截面——翼型
风电叶片是一个不规则的曲面，但叶片沿展向的每一个截面都是标准翼型经过放大、平移和旋转三种基本操作所得到的二维平面图形。首先介绍一下翼型。
翼型（airfoil），最早应用于飞机机翼，翼型上下型线均为光滑的流线设计，上型线一般称为吸力面，下型线称为压力面。粗的一端叫前缘，尖的一端叫尾缘。前缘和尾缘的连接线为弦线，其长度为弦长。表示翼型特征的参数一般有2个：相对厚度和相对弯度。
相对厚度定义为翼型上下型线最大距离与弦长之比，相对弯度则指中弧线到弦线最大距与弦长之比。

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一般来说，航空翼型由于运行工况气流速度很高，所以翼型相对厚度较小，而相对弯度较大。
风电叶片设计入流速度均较小，所以一般采用相对厚度较大的翼型，以保证低雷诺数下的优异气动性能。比如NREL 5MW叶片所采用的翼型，在气流速度最大的叶尖处采用了相对弯度为6%、相对厚度为18%的NACA64-618翼型，而在叶片中部则采用相对厚度较大的钝尾缘DU系列翼型。
-02-
叶片外形
叶片任意径向位置的截面均为一个翼型（叶根处则为圆，也可以视为一种特殊的翼型），弦长表示翼型的绝对大小，而扭角则表示翼型的平面摆放位置。
为了保持良好的气动性能，叶片截面的弦长和扭角均随当地半径增大而减小，从而使得叶片在设计工况下的实际攻角，具有较高的升力系数和较小的阻力系数。
因为叶片各个截面翼型特性相似，所以最佳攻角范围非常接近，一般在7°9°的范围。攻角又与线速度相关，所以不同展向位置的叶片截面扭角各不相同。
在叶片设计的第一步，就是确定各个截面的翼型。当翼型确定好了之后，仅需要知道每个截面的弦长和扭角大小，就能确定叶片的整个外形。

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一个标准翼型的坐标均为归一化的，即前缘点横坐标为0，后缘点坐标为1.叶片截面的绝对外形大小，就是归一化翼型坐标乘以弦长。
翼型的扭转形态由扭角决定，即将翼型扭转一定角度。此处涉及另一个问题：绕哪一个点旋转？这个点就是变桨轴线与截面的交点。
我们构建叶片三维模型的过程，有点像穿烤串的过程，翼型旋转参考点就是烤串木签的穿插点。木签就是变桨轴线，靠近叶片的腹板和主梁。对于不同的截面，穿插的位置肯定不同。对于规则的圆形，显然是穿在中间最稳定，就像羊肉串，所以叶根处的旋转参考点接近中间位置。而翼型属于前缘笨重后缘轻，穿插点应该靠近前缘点，就像韭菜是穿在梗上，而不是中间的叶子上。
翼型的特殊外形使得它的气动中心一般位于距离前缘点25%的弦长处，但是实际的叶片还要考虑结构设计，主梁一般保持30%60%弦长跨度。为了保证良好的气动平衡和结构平衡，变桨轴线应该处于30%40%的弦向位置。所以可以发现，在翼型截面处，NREL5MW、DTU10MW、Sandia13.2MW和IEA15MW叶片的pitch axis位置均在0.300.4区间内。
-03-
叶片坐标变换
从上可知，叶片三维坐标变换其实就是对每一个叶片截面进行比例缩放、旋转和平移的过程。这三个步骤不分顺序，我的一般操作是先将变桨轴平移至坐标原点，然后进行比例缩放（乘以弦长），再进行扭转变换。
这一步的公式为：

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由于我们需要的是三维坐标，z轴坐标即为该截面的当地半径。通过编程，循环计算每一个截面的坐标，就可以得到叶片三维建模所需要的数据。
正如往常一样，好久不见总要送点礼，今天压箱底的叶片三维坐标转换程序就送给大家了。这个程序是刚上研究生的时候写的，后面做了一些修改，目前的版本非常nice，可以直接生成UG的grip文件和导入截面曲线的宏文件。

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这个程序有一个输入文件，文件名固定不变为“inputfile_for_TransBldCoords.txt”。
在这个文件里面，需要定义翼型坐标文件、叶片展向的弦长、扭角和预弯分布。其中预弯为绝对值，单位与半径和 弦长一样，均为m。

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定义好这个文件后，运行“TransBldCoords.exe”，在0.2s内，就会完成叶片坐标变换，并输出每一个截面的坐标数据在指定文件夹内（第8行定义的变量名）

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其中还包括一个宏文件，后缀名为“marco”，通过简单修改路径后，就可以直接运用UG调用，批量导入每一个截面的曲线。
因为UG画图时，对中文路径不够友好，所以需要将生成的sectional 文件放置在一个合适的路径下面，比如，我这里是放在
“F:\StudyJeyla\Research\WechatOfficial\paper9\BladeModeling\IEA15MWBlade”。通过记事本打开marco文件，将“TEMP_DIR_TO_BE_CHANGED”全部替换为：“F:\StudyJeyla\Research\WechatOfficial\paper9\BladeModeling\IEA15MWBlade”

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-04-
UG建模
首先打开NX UG，新建一个model。点击工具-宏-回放，或者快捷键ctrl shift p，打开宏文件。

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选择刚刚修改好的宏文件，点击确定。

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就开始批量读取每一个截面的坐标并生成曲线了。

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导入曲线完成后，选择“曲面”→“通过曲线组”命令，做一点微小的设置调整。在“alignment”这一栏，选择“By Points”，在Patch type这栏选择“Match String”，然后关掉预览。

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左键单击曲线1，中键确认选择，再选择曲线2，中键确认，以此完成所有曲线的“点击”和“确认”。最后还需要检查一下各个曲线的方向，保证每个曲线的法向对齐。发现这种交叉的现象，需要双击方向箭头，调整曲线的方向.

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到此，我们就完成了叶片三维建模啦？是不是很简单~

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附件
免费
TransBldCoords.zip