参考文献
[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
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⎡ 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