风电叶片三维建模——程序代码 (附件可下载)

2年前浏览12801

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。

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。

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。

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0.30~0.4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：

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。

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。

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）

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”