复合材料风机叶片CAE实施可行性报告.docx

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复合材料风机叶片CAE实施可行性报告

MIDASFamilyPrograms

复合材料风机叶片CAE实施可行性报告

专业的CAE解决方案

北京迈达斯技术有限公司

2010-12

目录

一、CAE及国内外复合材料风机叶片应用现状-1-

二、复合材料风机叶片引入CAE的必要性-2-

三、CAE在复合材料风机叶片的应用-3-

四、举例：

CAE在复合材料风机叶片设计中的具体应用-4-

五、迈达斯（MIDAS）CAE解决方案介绍-6-

6.1NastranFX的组成-6-

6.2NastranFX求解特性-8-

6.3卓越特点-10-

6.4复合材料分析高级功能-13-

六、NEINastran&NastranFX成功客户（部分用户）-15-

七、推荐：

MIDAS公司的CAE项目实施方案计划书-16-

复合材料风机叶片CAE实施可行性报告

一、CAE及国内外复合材料风机叶片应用现状

CAE（ComputerAidedEngineering，即计算机辅助工程）技术，是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动、动力学仿真。

工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行。

可靠性如何以及使用寿命为多少；运动、动力学仿真用来对CAD（ComputerAidedDesign）建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。

从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE的核心技术为有限单元技术与虚拟样机的运动、动力学仿真技术。

近年来，随着计算机技术和计算方法的发展，计算机辅助设计已经成为现代设计方法的主要手段和工具。

CAE技术和软件更是关键的技术要素之一。

CAE作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。

许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用，而且在工程上也已达到了实用化阶段。

目前，风能作为可再生能源的重要组成部分，受到世界各国政府的重视，风电产业正在逐步发展成为初具规模的新兴产业。

目前风电市场和技术主要集中在发达国家，亚洲地区还处在逐步开发和发展阶段。

国内外已经有众多厂家生产风力发电设备，叶片作为风电机组的核心部件之一，是风力捕捉风能、转换能量的重要组成部分。

国外生成厂家在产品研发上投入大量研究资金，他们利用先进的CAE工具对叶片相关技术进行分析，不断提高强度、刚度和结构等方面的性能，并开发出自主知识产权的产品；然而国内生产叶片的厂家以引进国外技术进行制造为主，对大型叶片的结构分析与研究还处于起步阶段。

国内生产厂家基本上都采用了各种CAD软件进行叶片设计，相比之下，CAE软件的作用还没有被充分认识，大多数企业中的CAE技术只是配角或没有被采用。

很多企业对有限元仿真还只停留在表面认识。

随着，风电产业的发展对叶片提出更高的要求，很多厂家、高校和研究院也意识到风机叶片分析的重要性以及带来的价值，也逐步增加在叶片分析中的资金和人员投入，并取得初步的效益，推动了自主知识产权的产品的开发进度。

二、复合材料风机叶片引入CAE的必要性

现代设计方法学表明，产品设计虽然只占产品整个成本的5%，但它却影响产品整个成本的70%。

在设计过程中，如果确定了产品结构、零件形状、材料及精度，则产品成本的70%～80%将被确定。

因此，产品设计在产品开发阶段需要重点予以考虑，风机叶片设计也同样如此。

风机叶片是风力发电设备的关键部件之一，随着世界风力发电设备向大功率方向发展，风机叶片的长度越来越长，目前世界最长的复合材料风机叶片是丹麦LM公司生产的，其长度已达到61.5m，单片重约18t，从而对叶片结构的强度、刚度、重量等的设计提出了前所未有的要求。

复合材料具有比强度高、比刚度高、重量轻、可设计性强、承载性能好等特点，因而在大型风机叶片中获得了广泛应用。

复合材料在叶片的应用已经给生产厂家带来巨大的利益，同时它也带来新的挑战。

由于大型复合材料风机叶片的外形结构和铺层结构复杂都非常复杂，其外形由不同翼型构建而成，属于超长三维曲面壳体结构，且存在大量过渡层和夹心层结构，所以其铺层结构也很复杂，此外，风机叶片的载荷分布也不规则，求取复合材料风机叶片结构的解析解非常困难，所以寻求一种行之有效的计算方法已成为复合材料叶片设计不可逾越的一个环节。

CAE技术能够给工业企业产品研发带来巨大的经济效益，这已成为不争的事实。

以Nastran为代表的高端CAE软件早已活跃在全球各行各业中，将“基于物理样机试验的传统设计方法”带入基于“虚拟样机仿真的现代设计方法”，将大幅度缩短产品开发周期，降低成本，提高企业竞争力。

潜在的问题越早地得到发现和解决，设计的成本与周期的降低效果越明显。

因此，CAE分析应该提前到概念设计阶段，在叶片铺层设计阶段就应该进行CAE分析。

设计人员负责对自己设计的结构进行分析，已成为企业的迫切需求。

应用CAE技术进行铺层的分析设计，将使叶片设计领域发生根本变革，推动叶片设计方法及设计技术的进步。

风机叶片的结构分析作为风机叶片结构设计的基础之一，开始在大功率风机叶片结构的校核、优化和新产品开发设计中发挥着日益重要的作用。

三、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。

NASTRANFX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。

总之，对复合材料风机叶片结构计算分析，完全可以使用NASTRANFX软件实现，并得到满足精度的结果。

图1为某叶片的应力分析结果，图2为某叶片的模态分析结果。

通过分析结果，如所有铺层及层间的应力、应变和失效等结果，可以知道叶片结构的刚度、强度情况以及是否进行重新的设计，包括材料替换、变更铺层层数、更改铺层角度等。

应力云图

图1某叶片的应力分析

图2某叶片的模态分析（第1-5阶）

四、举例：

CAE在复合材料风机叶片设计中的具体应用

与常规的应力分析一样，复合材料叶片分析同样也需要建立几何模型、网格划分、建立材料和特性、设置分析工况并提交分析、结果查看等步骤。

不同之处在于复合材料是层合板，建立特性需要进行铺层设计。

以某复合材料风机叶片为例，简要说明各个步骤如下。

1.导入翼型数据

翼型数据可以通过公式计算得到，一般也可从专用软件方便得到，导入NastranFX后如图3所示。

图3导入后的翼型数据

2.建立几何模型

利用翼型数据使用B样条曲线建立曲线，再通过曲面功能建立叶片的外壳模型，如图4所示。

图4几何模型

3.建立复合层板

NastranFX提供了复合层板的建模功能（如图5），可以方便建立复合材料层板，如设置角度、方向，再设置了铺层后可以预览结果，以确保铺层准确性。

图5铺层工具及预览

4.网格划分

利用界面友好的网格划分工具对几何模型进行网格划分，良好的网格划分工具可以为复合材料叶片建立高质量网格模型提供强有力的保证。

图6显示了划分后的网格模型。

图6网格模型

5.查看相关结果

除了提供表格数据等查看方式外，NastranFX还提供了包括图形化等高级查看查专用工具（图7），同样保证分析结果查看的直观和可用性，无须进行结果的其他转化即可进行设计校核。

接触显示

图7图形化的结查看工具和接触信息显式

五、迈达斯（MIDAS）CAE解决方案介绍

6.1NastranFX的组成

NastranFX（简称NFX）是基于Windows平台的、全球领先的高级有限元分析解决方案，是由韩国的（株）MIDASIT公司和美国的NoranEngineeringInc.共同开发的全方位结构分析软件。

NFX基于数十年工程实践的应用，证明了其在接触分析、非线性分析、疲劳分析、动力分析、优化设计等高级分析功能上的优秀性，其基于Windows操作系统的人性化操作环境，不仅为工程分析人员提供了便利多样的前后处理功能，而且提供了快速、准确、稳定的分析功能。

NFX主要由FX、NeiNastran、Editor三部分组成。

其中，FX是由迈达斯技术有限公司开发的前后处理软件；NeiNastran是求解器，是软件的核心可以用于解决发生在工程领域中的广泛问题；Editor是NeiNastran通用的有限元分析应用编辑软件，可以编辑NeiNastran分析程序，进行更多的分析控制，并作为后处理器使用。

做为前处理器，FX可以用于建立有限元模型，输入到NEiNastran求解器中；做为后处理器，FX可以通过图表显示已经生成的计算结果。

NEiNastranEditor只能做为NEiNastran求解器的前端模块或做为FX和求解器间的交互界面。

NFX是唯一一款中文的有限元分析软件，具有良好的用户界面，亲切、清晰、易于使用且方便记忆，其用户界面如图1所示。

前后处理器FX主界面窗口包括主菜单、工具栏、工作目录树、关联菜单、特性窗口、信息窗口、任务流程面板、表格窗口和单位体系等。

与市面其他有限元软件相比，NFX软件的另外一个鲜明特点是全中文的帮助文档及技术资料。

在图1的树形菜单，FX吸收了CAD软件模型树的概念，让用户可以有效管理、分析每一个环节，同时吸收了MicrosoftVisualStudio编辑器的优点，让用户不必打开对话框即可修改模型的相关信息，如材料的物理属性、单元特性等。

同时通过特性窗口可以查看工作目录树及模型窗口里的信息。

良好的网格划分能力，优秀的自动清理模型功能和手动网格修改能力（优秀前处理器的评价标准），FX是一款优秀的开放式的前后处理器，支持UGNX、Pro/E、CATIA、SolidEdge、SolidWorks、Autocad等文件格式导入，同时Femap拥有强大的建模能力，具有良好的曲面建模能力和几何修复能力。

强大、方便的后处理功能，多种结果查看对比方式，对有限元结果进行评估。

图1NastranFX操作界面特点

Nastran（NASAStructuralAnalysis）是美国航空航天管理局（NASA）为了土星计划而编制的软件，70年代初开始民用。

经过三四十年发展，已经成为有限元仿真领域事实上的标准。

NEINastran是优质的计算机辅助工程（CAE）工具，是具有高度可靠性的结构有限元分析软件，有着近40年的开发和演进历史，并通过50000多个用户的长期工程应用的验证。

NEINastran因其广泛应用及准确性和计算结果的精确性，其输入输出格式及计算结果已经成为当今CAE的工业标准。

几乎所有的CAD/CAM系统都相继开发与NEINastran的直接接口。

NEINastran的计算结果通常被视为评估其他有限元分析软件精确度的参照标准，同时也是处理大型工程项目和国际招标的首选有限元分析工具。

全球主要的制造业者依靠它来满足严格的工程计算需要，在不断减少设计周期所耗时间的同时，做到安全，可靠，并优化设计。

在30多年的时间里，Nastran已成为几乎所有重要的工业领域分析解决方案的最佳选择，这些领域包括航空航天、国防、汽车、船舶、重型机械、医疗设备及零售业。

Nastran被公认为压力、振动、结构故障、热传导、噪音/声学、气动弹性等方面计算机辅助设计分析的工业标准。

NEINastran与FX的结合为用户提供了一个强大且可承受的解决方案。

该解决方案独立于CAD系统，可以读取所有主流CAD系统数据，其强大的功能涵盖线性分析、模态分析、失稳分析、热传递分析、非线性分析、动力学分析、优化、流体分析等，能够满足从最简单到最复杂的有限元分析需求。

6.2NastranFX求解特性

静力分析有限元分析的基础。

NEINastran的静力分析功能支持全范围的材料模式，包括：

均质各向同性材料、正交各项异性材料、各项异性材料和随温度变化的材料等。

NastranFX提供的静力分析的主要类型有：

具有惯性释放的静力分析：

考虑结构的惯性作用，可计算无约束自由结构在静力载荷和加速度作用下产生的准静态响应。

提供各种便利的分析结果，如线性应力、位移、安全系数的计算以及网格引起的收敛误差、相对位移等；同时支持接触分析，可以自动/手动定义接触；具有NASA矢量稀疏求解器（VSS）和并行稀疏求解器（PSS）,并配备世界上最先进的并行求解器算法CASIPCGLSS求解器。

非线性静力分析：

大变形几何非线性

塑性和蠕变等材料非线性

考虑接触状态的边界非线性等

模态和特征值分析是动力学分析的基础，是结构多种动态行为的判据。

模态分析功能同样支持全范围的材料模式,包括：

均质各向同性材料、正交各项异性材料、各项异性材料和随温度变化的材料等。

NastranFX提供的模态分析的主要类型有：

正则模态，包括滑动接触模态

复特征值，可用于转子动力学分析

非线性正则模态

膨胀、旋转或预应力结构

可以利用LANCOS求解器快速求解大规模模型的特征值，并且提供了可提高动力学分析效率的输入／输出模态分析结果数据库。

NastranFX提供的屈曲分析的主要类型有：

线性屈曲：

又称特征值屈曲

固定的预载荷

惯性释放

非线性屈曲：

大变形等几何非线性失稳

材料非线性的弹塑性失稳

非线性后屈曲（snap-through）分析

使用基于数值技术的分析分法，使得热问题的求解变得更加容易，包括：

热传导分析、热辐射分析、热耦合分析、热对流（自然、强制对流），以及相位改变等。

NastranFX领先的求解技术的传热分析对于具有挑战性的工程问题快速提供了真实的、可靠的、精确的结果。

该功能也可和NEINastran结构分析结合使用，以执行热应力分析。

如果产品中的温度变化以及热流可能影响其性能，在数字仿真过程传热应占据主要部分。

传热可能涵盖从全局能量平衡的系统级分析到与温度和热应力极限等级相关的详细分析。

用户可通过它研究线性或者非线性问题、稳态或者瞬态效应，以及三种类型的传热方式（传导、对流和辐射），显示与每一个方面相关的特性

NastranFX提供的高级非线性分析可用于分析具有几何非线性（即大变形）、具有材料非线性特性或者边界非线性（接触非线性）的模型。

对于几何非线性，考虑了大位移、大转动等的影响并配备了更新Lagrange法的刚度计算，同时考虑压力、集中力和力矩等类型的随动力。

对于材料非线性，提供了弹塑性、塑性、非线性弹性、热弹性和超弹性材料模型，材料覆盖了各个行业，各个领域。

对于接触非线性，可以采用多种的接触类型：

面面接触、面线接触和点线接触等，同时程序提供的自动接触功能使得在处理复杂装配体的分析变得简单、实用。

NastranFX的动响应分析能计算出时域或者频域载荷激励下的动态响应值，是作为基本分析模块的线性静态分析能力的一个补充可选项。

动响应分析在不同行业占有重要的地位，例如用来评估飞机乘客以及驾驶状态下汽车乘客的舒适程度。

在汽车行业用来确定发动机频率或则来自路面的激励是否会造成车身局部结构的响应震动，例如驾驶杆或则座位上的震动。

评估消费品以及其它高科技电子产品设备运行的震动影响。

Nastran算法高效率地进行复杂系统级大规模有限元模型分析。

尽管现在的计算机运算处理越来越强，然而有限元模型也比以前变得越来越大，这意味着有限元分析求解仍然需要大量的计算（CPU）时间。

NEINastran使用的是最新求解决技术，目前使用求解器主要有4个线性求解器：

预处理共扼剃度线性系统求解器（PCGLSS）、矢量稀疏求解器（VSS）和矢量跌代求解器（VIS）和2个特征值有求解器：

LANCZOS和子空间（SUBSPACE）。

PCGLSS是一个高级叠代求解器，被目前其他CAE产品广泛采用。

PSS是一个极快的平行直接求解器，

特别适合于多CPU和多核处理器的计算机系统。

VIS和VSS求解器完全基于NASA开发技术，并得到极大的发展和改进的，因此具有高速计算特性和计算。

现有的算法能够高效率的求解大型系统方程，然而，NEINastran—超级单元提供了更有效的方法。

超单元模块是NEINastran—基本模块的附加模块，它能有效地把规模很大且复杂的有限元模型分解成许多等价的子结构，这些子结构就叫超级单元。

NEINastran—超级单元能应用于所有的NEINastran分析类型；在大规模、系统级分析上特别有效，例如整架飞机，整车或者轮船；逐级运行和子装配求解。

NEINastran设计优化：

用更具创新性、更可靠的产品更快地优化你的设计结果。

每个制造商都希望设计制造的产品不光具有创新性，而且其性能也能达到要求。

利用优化技术，工程师能够优化设计，用最少的花费得到尽可能最好的结果。

由于你的设计可能有许多变量，且变量之间的关系也很复杂，要想通过手工的迭代来得到一个优化设计是很盲目的。

Nastran—优化模块能比较设计与目标性能的差异，通过自动迭代过程，将你从优化产品设计的繁重任务中解脱出来。

接触分析问题作为有限元分析中的一大难题，在NASTRANFX中变得极其的简单。

NASTRANFX拥有大量的接触类型，如面面接触、面线接触、一般接触、焊接接触、偏移接触、双向滑动接触等，这些类型为模拟物体之间真实的接触情况提供可能。

针对复杂的装配体接触在建模时的效率低、工作量的问题，NASTRANFX自动的接触生成功能，同时在接触手动定义时提供多种接触生成方式，如基于几何体、网格组的简便定义方式，所有这些都是基于操作简便为最终目的而开发的。

疲劳分析是NFX直接在后处理单独提供的分析模块。

疲劳分析只要输入极少数的数据，在进行强度分析后就可以直接进行耐久性验算。

在NFX中，可以进行时域疲劳分析和频率域疲劳分析，并提供判断结果损伤度和疲劳周期。

使用Nastran软件不需要单独购买第三方疲劳分析模块即可进行疲劳寿命计算，最大化软件价值和最小化软件采购成本。

更多高级功能请与迈达斯公司的技术工程师联系，我们专业的工程师会根据您的实际问题推荐贵单位更完善的解决方案。

我们将以多年的CAE仿真分析经验竭诚帮助贵单位解决实际问题。

6.3卓越特点

1.操作最简单、界面最友好、掌握最容易的通用有限元分析软件

NFX将前后处理器和求解器无缝整合一体，拥有基于最新图形技术开发的窗口界面，为用户提供便捷的工作环境。

全中文的在线帮助文档及技术资料，学习容易；

使用方便：

吸收CAD软件模型树概念管理和分析每一环节和MicrosoftVisualStudio编辑器的优点自由地修改材料、特性等；

各种单位制自由转换，避免有些软件因为单位不同需要转换的麻烦。

2.具有使初学者迅速掌握软件的独特功能——分析助手

NFX提供了分析助手功能，以便设计者和初学者可以快速、便捷地学习和掌握软件并进行实际项目分析。

该功能采用像软件安装向导方式引导用户利用NASTRANFX进行项目分析，用户在分析助手的帮助下进行6步操作即可完成分析并得到想要的分析结果。

一切为了简便操作并为客户迅速带来价值。

3.缺陷几何体的修复、修补功能

几何建模本身或者中性文件格式的问题常常是用户面临的问题，也是对有限元软件的挑战，NFX的强大几何修复功能恰恰解决这两大问题。

几何修复功能主要有：

曲面、曲线合并、曲面生成、裁剪、分割、析取、分割形状等。

4.方便快捷的复杂装配体的接触设置，尤其在解决抽壳而遗留的缝隙问题更具优势

软件利用自动面/线接触功能（AS/ECG）使复杂装配体的接触定义便得相当的简单，仅需定义一个含所有网格组的接触即可。

针对薄壁结构，理想的单元是2D单元，因此常规的抽取外表面或中性面会使各装配体产生缝隙而非紧密接触的问题，给后续网格划分、分析工作带来很大的麻烦。

利用偏移焊接，可以直接对有间隙的单元进行接触定义，省去了其他软件需要补间隙的繁杂工作。

通过偏移焊接接触，配合程序自动接触功能，可以节省复杂装配体的80%的前处理时间。

操作的便利及程序的智能化水平无疑提高分析者的分析速度，直接提高企业的产品开发速度，为企业创造更大的价值。

5.更具全面的CAD接口功能

部分软件由于未开放与其他CAD软件的接口，因此通过中性文件导入的CAD模型常常出现线面丢失，有时甚至会丢失部分实体，这极大地阻碍了项目的分析进展。

与所有CAD模型直接兼容是专业CAE软件追求的目标，同时也给用户直接带来便利。

NastranFX配备了市面上大部分CAD接口，不但能够可以直接导入CAD格式文件，还能够导入CAD建模参数。

与CAD直接兼容主要表现在以下几个方面和优点。

可与CATIA、SolidWorks、SolidEdge、ProEngineer、AutodeskInentor等软件的无缝联接，实现几何参数的共享。

可在NASTRANFX和CAD软件里修改几何建模的参数，避免了模型修改后重复导入操作，同时也无须重复网格划分、加载和分析设置。

作为更高级的应用，可与ProEngineer实现模型参数优化分析，进行优化分析，同时在CAD里生成优化后的几何模型。

6.Words格式的中文报告书

自动生成内容丰富的报告书，可直接将生成的报告结果提交领导或同事查看，这样可以节省大量的报告制作时间，使客户从枯燥、烦琐的、费事费时间的报告编写中脱离出来，从而更专注于分析。

报告书可编辑、可修改，可以根据用户的分析类型定制。

为了便于制作分析报告，提供了多种数据和图形整合功能。

7.有别于代理商的售后服务

作为专业的CAE软件开发和专业工程咨询和电子商务解决方案提供商，MIDAS建立并运行一种完整的技术支持系统，以准确、快速为宗旨向客户提供技