(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211032475.X (22)申请日 2022.08.26 (71)申请人 中山大学 地址 510275 广东省广州市新港西路13 5号 (72)发明人 陈顺华　周睿　孙鹏楠　杜现平　 (74)专利代理 机构 广州三环 专利商标代理有限 公司 44202 专利代理师 何卿华 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于流固耦合和疲劳损伤的风机叶片形变 分析方法及装置 (57)摘要 本发明公开了一种基于流固耦合和疲劳损 伤的风机叶片形变分析方法及装置， 该方法包 括： 采集或设置风机叶片 的初始参数， 并根据所 述初始参数构建风机叶片 有限元模 型； 根据所述 风机叶片有 限元模型建立风机叶片形变计算问 题， 并将风机叶片形变计算问题的求解分为空气 流场分布区域和结构形变损伤区域； 根据流场边 界条件， 求解空气流场分布区域得到气动载荷， 并以气动载荷作为约束条件求解节 点动力方程， 得到风机叶片形变信息。 本发明实施例考虑到风 机叶片疲劳损伤与流固耦合行为的相互影响， 可 准确描述风机叶片在全工作周期中的形变； 而划 分不同的求解区域， 可降低动力方程的求解自由 度， 使得所述动力方程更易于收敛， 分析结果的 精度更高。 权利要求书2页 说明书8页 附图8页 CN 115408909 A 2022.11.29 CN 115408909 A 1.一种基于流固耦合和疲劳损伤的风机叶片形变分析 方法， 其特 征在于， 包括： 采集或设置风机 叶片的初始参数， 并根据所述初始参数构建风机 叶片有限元模型； 所 述初始参数包括： 几何参数和材 料系数； 根据所述风机叶片有限元模型建立风机叶片形变计算问题， 并将所述风机叶片形变计 算问题的求解分为空气流场分布 区域和结构形变损伤 区域； 其中， 所述结构形变损伤 区域 包括叶片形变损伤外形； 根据流场边界条件， 求解所述空气流场分布区域得到气动载荷， 并以所述气动载荷作 为约束条件求解节点动力方程， 得到风机叶片形变信息； 所述风机叶片形变信息用于求解 下一时步的空气流场分布区域。 2.如权利要求1所述的基于流固耦合和疲劳损伤的风机叶片形变分析方法， 其特征在 于， 所述根据流场边界条件， 求解所述空气流场分布区域得到气动载荷， 并以所述气动载荷 作为约束条件求解节点动力方程， 得到风机叶片形变信息； 所述风机叶片形变信息用于求 解下一时步的空气流场分布区域， 具体为： 求解结构形变损伤区域， 得到节点力 信息； 根据所述 流场边界条件求 解空气流场分布区域， 得到气动载荷； 施加所述气动载荷至所述风机 叶片有限元模型， 并求解节点动力方程， 得到风机 叶片 形变信息 。 3.如权利要求2所述的基于流固耦合和疲劳损伤的风机叶片形变分析方法， 其特征在 于， 所述求解结构形变损伤区域， 得到节点力 信息， 具体为： 所述风机叶片有限元模型为厚壳单 元模型； 根据所述厚壳单 元模型进行有限元计算， 得到节点 参数； 根据所述厚壳单 元模型和所述节点 参数表征风机叶片的疲劳损伤， 得到节点力 信息。 4.如权利要求3所述的基于流固耦合和疲劳损伤的风机叶片形变分析方法， 其特征在 于， 所述根据所述厚壳单元模型和所述节点参数表征风机叶片的疲劳损伤， 得到节点力信 息， 包括： 根据所述节点参数建立所述厚壳单元模型中的损伤部分； 所述损伤部分包括： 层内损 伤部分和层间损伤部分； 根据所述层内损伤部分和连续损伤力学， 计算得到第一节点力； 根据所述层间损伤部 分和所述材料系数， 计算得到第二节点力； 其中， 所述节点力信息包括： 第一节点力和第二 节点力。 5.如权利要求2所述的基于流固耦合和疲劳损伤的风机叶片形变分析方法， 其特征在 于， 所述根据所述 流场边界条件求 解空气流场分布区域， 得到气动载荷， 具体为： 其中， 所述 流场边界条件为上一时步的风机叶片形变信息； 使用有限元网格对所述空气流场分布区域进行离散处理， 得到离散后的空气流场模 型； 根据所述离散后的空气流场模型和上一 时步的风机叶片形变信 息， 根据气动力模型进 行流场计算， 得到耦合界面处的流场压力； 其中， 所述 流场压力为所述气动载荷。 6.如权利要求2所述的基于流固耦合和疲劳损伤的风机叶片形变分析方法， 其特征在 于， 所述施加所述气动载荷至所述风机叶片有限元模型， 并求解节点动力方程， 得到风机叶权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115408909 A 2片形变信息， 具体为： 施加所述气动载荷、 外载荷、 入流边界条件和所述节点力信息至所述风机 叶片有限元 模型； 其中， 所述外载荷 包括： 重力、 向心力； 所述入流边界条件包括： 入流风速、 紊 流系数和 风机排列； 求解所述风机叶片有限元模型的节点动力方程， 得到所述风机叶片形变信息； 其中， 所 述风机叶片形变信息包括： 节点 位移、 节点速度和节点加速度。 7.一种基于流固耦合和疲劳损伤的风机叶片形变分析装置， 其特征在于， 包括： 参数采 集模块、 问题建立模块和形变求 解模块； 所述参数采集模块用于采集或设置风机叶片的初始参数， 并根据 所述初始参数构建风 机叶片有限元模型； 所述初始参数包括： 几何参数和材 料系数； 所述问题建立模块用于根据 所述风机叶片有限元模型建立风机叶片形变计算问题， 并 将所述风机叶片形变问题的求解分为空气流场分布 区域和结构形变损伤 区域； 其中， 所述 结构形变损伤区域包括叶片形变损伤外形； 所述形变求解模块用于根据流场边界条件， 求解所述空气流场分布区域得到气动载 荷， 并以所述气动载荷作为约束 条件求解节点动力方程， 得到风机叶片形变信息； 所述风机 叶片形变信息用于求 解下一时步的空气流场分布区域。 8.如权利要求7所述的基于流固耦合和疲劳损伤的风机叶片形变分析装置， 其特征在 于， 所述形变求 解模块包括： 风机叶片疲劳损伤求 解单元、 流场求 解单元和方程 求解单元； 所述风机叶片疲劳损伤求 解单元用于求 解结构形变损伤区域， 得到节点力 信息； 所述流场求解单元用于根据所述流场边界条件求解空气流场分布区域， 得到气动载 荷； 所述方程求解单元用于施加所述气动载荷至所述风机叶片有限元模型， 并求解节点动 力方程， 得到风机叶片形变信息 。 9.如权利要求8所述的基于流固耦合和疲劳损伤的风机叶片形变分析装置， 其特征在 于， 所述风机叶片疲劳损伤求 解单元包括： 有限元计算子单 元和受力计算子单 元； 所述风机叶片有限元模型为厚壳单 元模型； 所述有限元计算子单 元用于根据所述厚壳单 元模型进行有限元计算， 得到节点 参数； 所述受力计算子单元用于根据所述厚壳单元模型和所述节点参数表征风机叶片的疲 劳损伤， 得到节点力 信息。 10.如权利要求8所述的基于流固耦合和疲劳损伤的风机叶片形变分析装置， 其特征在 于， 所述流场求解单元包括： 离 散处理子单元和流场计算子单 元； 所述离散处理子单元用于使用有限元网格对所述空气流场分布区域进行离散处理， 得 到离散后的空气流场模型； 所述流场计算子单元用于根据所述离散后的空气流场模型和上一时步的风机叶片形 变信息， 根据气动力模型进行流场计算， 得到耦合界面处的流场压力； 其中， 所述流场压力 为所述气动载荷。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115408909 A 3