基于PCL的复合材料铺层参数化开发

傅志婷

摘要：随着计算机辅助设计的发展，有限元仿真已经成为大型机械结构设计过程中极其种重要的一个环节。风力发电装置最重要的结构为叶片，随着叶片尺寸的增加，叶片上多达上千种组合的复合材料铺层设计都给有限元分析建模带来了更大的挑战，通过PCL语言对复合材料铺层过程以及基本的加载过程进行参数化开发，可有效提高叶片复合材料铺层的建模速度，且可用于不同结构尺寸的叶片，为叶片结构强度以及模态等仿真计算带来了极大的便利。

关键词：风机叶片 PCL 参数化 有限元分析

1引言

随着风力发电技术的大力发展，风机尺寸和重量也越来越大，目前风力发电机尺寸是20世纪80年代的100倍【1】。复合材料本身具有强度刚度高，可设计性和承载性好等特性。对风机叶片复合材料铺层建模，通过有限元方法对结构强度和模态等进行分析来优化叶片铺层成为有效的设计辅助方式【2】。叶片结构由不同类型角度的纤维织物以及夹芯铺层组成，多达数百层，沿叶片展向以及弦向不同区域铺层不一致，形成上千种组合，采用有限元软件建模需要手动逐层进行，步骤繁琐且极其容易出错，完成一个完整叶片的复合材料铺层建模往往需要数十个工作日。为提高叶片设计效率，有限元建模参数化十分必要。

2、 商业软件patran及PCL语言

MSC.PATRAN和NASTRAN是国际上公认的功能强度的有限元分析工具，广泛的应用于航空，航天，船舶，建筑，机械等行业。由于NASTRAN模态以及瞬态动力学等仿真精度的优势，因此广泛的应用于风机叶片的仿真计算中。CL语言是一个高级，模块化的结构编程语言，是一种功能齐全的计算机语言。和C语言，Fortran类似，可用于生成应用程序以及用户自定义界面，读写数据库，将用户化的部分集成到PATRAN环境界面中以实现功能扩展与统一使用。

3、 参数化建模

复合材料叶片要经历几何建模，网格划分，材料属性以及边界，分析工况及提交，结果查看等步骤【3】，不同的是复合材料为层合板，需要经过逐层的铺设来完成建模。

1） 几何模型：三维CAD建模软件先将叶片的表面进行几何建模，并在网格划分软件中进行网格划分，准备好初步的模型。

2） 材料參数化：先通过文件读取读入材料属性数据并统计材料个数：status = text_open（ filename， "OR"， 0， 0， channel ）【4】建立循环将数据读入二维数组，将数组写入材料属性，主要程序i_return_value =material.create（）

3） 铺层参数化：铺层有两种一种为普通铺层只在Z方向叶片展向进行铺层区分，一种为错层铺层，需要在展向分区的同时沿着弦向进行错层分区。错层因为涉及到弦线不能简单的用坐标轴的方向来表示因此需要根据节点与节点间的间距来判断错层的分区因此需要较复杂的程序来完成。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"//str_from_integer（i））

4） 加载参数化：在excel中按照如下格式将MPC数据进行输入，可按照需要增加任意多个数据。读取准备好的数据文件，统计个数，将数据存放在数组中，根据单元和坐标起始点循环筛选出每个MPC的所有节点，循环提取每个MPC所有节点的坐标信息，计算得到加载节点的坐标值，建立节点，建立MPC进行加载。

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：三个程序分别用于定义菜单栏，选择文件，以及应用文件界面

4、结论

通过PCL进行参数化开发后，用户建立叶片复合材料铺层有限元模型时间从之前的十几个工作日缩短到两天左右，同时由于自动建立的模型不会出现输入错误需要手动检查调整，减少了错误率。极大的提高了复合材料铺层建模的准确性与高效性。该程序可在不同的叶片建模中进行通用，避免了繁复的重复劳动，为以后复合材料铺层结构建模打下了良好的基础，同时由于PCL为MSC PATRAN软件的二次开发语言，因此将界面直接嵌入到已有软件中，更便于使用和扩展。

参考文献：

【1】李志敏，李春，高伟，武玉龙 大型风力机复合材料叶片铺层设计及结构特性研究  现代制造工程.2014.3

【2】闫景玉 大型风机叶片的疲劳寿命估算 南京航空航天大学硕士学位论文

【3】娜日萨 张悦 应用MSC/Patran二次开发语言PCL实现参数化建模，中国船舶工业第708研究所船舶设计技术国家工程研究中心

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