基于PCL的復合材料鋪層參數化開發

傅志婷

摘要：隨著計算機輔助設計的發展，有限元仿真已經成為大型機械結構設計過程中極其種重要的一個環節。風力發電裝置最重要的結構為葉片，隨著葉片尺寸的增加，葉片上多達上千種組合的復合材料鋪層設計都給有限元分析建模帶來了更大的挑戰，通過PCL語言對復合材料鋪層過程以及基本的加載過程進行參數化開發，可有效提高葉片復合材料鋪層的建模速度，且可用于不同結構尺寸的葉片，為葉片結構強度以及模態等仿真計算帶來了極大的便利。

關鍵詞：風機葉片 PCL 參數化 有限元分析

1引言

隨著風力發電技術的大力發展，風機尺寸和重量也越來越大，目前風力發電機尺寸是20世紀80年代的100倍【1】。復合材料本身具有強度剛度高，可設計性和承載性好等特性。對風機葉片復合材料鋪層建模，通過有限元方法對結構強度和模態等進行分析來優化葉片鋪層成為有效的設計輔助方式【2】。葉片結構由不同類型角度的纖維織物以及夾芯鋪層組成，多達數百層，沿葉片展向以及弦向不同區域鋪層不一致，形成上千種組合，采用有限元軟件建模需要手動逐層進行，步驟繁瑣且極其容易出錯，完成一個完整葉片的復合材料鋪層建模往往需要數十個工作日。為提高葉片設計效率，有限元建模參數化十分必要。

2、 商業軟件patran及PCL語言

MSC.PATRAN和NASTRAN是國際上公認的功能強度的有限元分析工具，廣泛的應用于航空，航天，船舶，建筑，機械等行業。由于NASTRAN模態以及瞬態動力學等仿真精度的優勢，因此廣泛的應用于風機葉片的仿真計算中。CL語言是一個高級，模塊化的結構編程語言，是一種功能齊全的計算機語言。和C語言，Fortran類似，可用于生成應用程序以及用戶自定義界面，讀寫數據庫，將用戶化的部分集成到PATRAN環境界面中以實現功能擴展與統一使用。

3、 參數化建模

復合材料葉片要經歷幾何建模，網格劃分，材料屬性以及邊界，分析工況及提交，結果查看等步驟【3】，不同的是復合材料為層合板，需要經過逐層的鋪設來完成建模。

1） 幾何模型：三維CAD建模軟件先將葉片的表面進行幾何建模，并在網格劃分軟件中進行網格劃分，準備好初步的模型。

2） 材料參數化：先通過文件讀取讀入材料屬性數據并統計材料個數：status = text_open（ filename， "OR"， 0， 0， channel ）【4】建立循環將數據讀入二維數組，將數組寫入材料屬性，主要程序i_return_value =material.create（）

3） 鋪層參數化：鋪層有兩種一種為普通鋪層只在Z方向葉片展向進行鋪層區分，一種為錯層鋪層，需要在展向分區的同時沿著弦向進行錯層分區。錯層因為涉及到弦線不能簡單的用坐標軸的方向來表示因此需要根據節點與節點間的間距來判斷錯層的分區因此需要較復雜的程序來完成。主要程序：

i_return_value =p3cm.create_ply_add_5（ "Scissor"， data（m，2）， data（m，1），start_pt， view_dirn， ref_dirn， ref_ang，0， [0.， 0.， 0.]， ""， -1.， 1.， -1.， -0.5， 0， ""， ""， 2， 0， 0.，[0.， 0.， 0.， 0.]， 1， ["`lista`"]， "" ）

db_get_all_node_ids_in_group（num_nodes2，group_id，nodes_ids）

db_get_nodes（num_nodes2，nodes_ids，ref_coords2，analy_coords2，glob1_xyz）

IF（glob2>17.0 && glob2<33.0 && glob4<0） THEN

ga_group_current_set（ "node_end"http://str_from_integer（i））

4） 加載參數化：在excel中按照如下格式將MPC數據進行輸入，可按照需要增加任意多個數據。讀取準備好的數據文件，統計個數，將數據存放在數組中，根據單元和坐標起始點循環篩選出每個MPC的所有節點，循環提取每個MPC所有節點的坐標信息，計算得到加載節點的坐標值，建立節點，建立MPC進行加載。

i_return_value = list_create_node_att_value （ ?ra_coord_values， [FALSE， FALSE， TRUE]， ["equal"， "equal"， "equal"]， ?[5.， 0.， 0.5]， "Coord 0"， "lista"， uil_list_create_current_list ）

i_return_value=asm_const_grid_xyz（s_output_ids，s_coordinates_list，s_coord_frame， sv_created_ids ）

i_return_value = fem_create_mpc_nodal2（str_to_integer（data（j，3）），"RBE3"， 0.， 2， [TRUE， FALSE]，["0."， "1.0"]， ["`listb`"，"`lista`" ?["UX，UY，UZ，RX，RY，RZ"，"UX，UY，UZ，RX，RY，RZ"] ?）

5）patran界面集成：三個程序分別用于定義菜單欄，選擇文件，以及應用文件界面

4、結論

通過PCL進行參數化開發后，用戶建立葉片復合材料鋪層有限元模型時間從之前的十幾個工作日縮短到兩天左右，同時由于自動建立的模型不會出現輸入錯誤需要手動檢查調整，減少了錯誤率。極大的提高了復合材料鋪層建模的準確性與高效性。該程序可在不同的葉片建模中進行通用，避免了繁復的重復勞動，為以后復合材料鋪層結構建模打下了良好的基礎，同時由于PCL為MSC PATRAN軟件的二次開發語言，因此將界面直接嵌入到已有軟件中，更便于使用和擴展。

參考文獻：

【1】李志敏，李春，高偉，武玉龍 大型風力機復合材料葉片鋪層設計及結構特性研究 ?現代制造工程.2014.3

【2】閆景玉 大型風機葉片的疲勞壽命估算 南京航空航天大學碩士學位論文

【3】娜日薩 張悅 應用MSC/Patran二次開發語言PCL實現參數化建模，中國船舶工業第708研究所船舶設計技術國家工程研究中心

【4】MSC.Patran，PCL and Customization，MSC公司，1998