毕业设计（论文）-基于labview的叶片弯扭耦合测量软件系统设计.doc

华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）毕 业 设 计(论文)题 目 基于labview的叶片弯扭耦合测量软件系统设计系 别xxx系（填写全称）专业班级xxx专业xxx班（填写全称）学生姓名xxx（打印）指导教师xxx（打印）二一五年八月摘 要随着科技的进步，现代风机叶片正向着超大型化、轻质化、高性能化方向发展，虽然这些趋势大大促进了风机的现代化发展，带来了巨大的经济效益，但是在这种背景下叶片的性能成为制约风机进一步发展的瓶颈。简单的说就是现代化的大功率、高容量的风电机组必然要求高性能的风轮叶片，经过查阅资料和请教指导老师后得知，气弹剪裁是现在通用的获得高性能叶片的有效方法，而弯扭耦合则是实现气弹剪裁的一种有力途径，本文在这种背景下提出了一种基于labview的叶片弯扭耦合测量软件的设计与实现方法。本文利用labview图形化编程的优点，通过labview软件相应的控件来模拟仿真弯扭耦合中的各种参数，可以形象直观的展现一款可以实际应用的软件，通过外置数据库，可以实际采集运行，达到仿真的目的。本文主要通过研究弯扭耦合的控制参数，结合数学建模理论，建立了弯扭耦合的理论估算公式，并把这些抽象的公式通过labview图形化编程编程可以用鼠标操作的控件，大大方便了相关用户，并根据实际需要对现有的750kw叶片主梁重新进行弯扭耦合设计，通过对比和查阅材料参数得知，利用碳纤维取代玻纤单向布对主梁的重新设计，将大大提高叶片的整体性能，从而间接加强叶片弯扭耦合的强度，为叶片弯扭耦合的测量提供了方便。本文在基于labview的叶片弯扭耦合测量软件系统设计完成后，输入参数，在labview环境下对其经行系统测试，测试结果表明，本软件运行稳定，测试速度快，精度高，值得实际推广。关键词：labview；风机叶片；弯扭耦合；测量系统；软件设计based on the labview coupling measurement software system design of blade bending and twistingabstractwith the progress of science and technology, modern fan blades is toward an oversized, and high-performance direction, although the trend has greatly promoted the modernization development of the fan, brought huge economic benefits, but under the background of this blade performance become the bottleneck of further development of fan. simply means modernization of high power and high capacity of wind turbines for high-performance rotor blade, after check data and consult guidance teacher, gas spring clipping is an effective method of high-performance blade now universal, and crankle coupling is implemented cutting gas play a powerful way, in this paper, under the background of this proposed a blade crankle coupling measurement based on labview software design and implementation method.in this paper, the advantages of using labview graphical programming, corresponding control by labview software to simulate the various parameters of the simulation crankle coupling, the image can be intuitive to show a practical software, through the external database, can run the actual collection, achieve the goal of the simulation. in this paper, by studying the crankle coupling control parameters, combined with the mathematical modeling theory, the formulas for the estimation of the crankle coupling is established, and put these abstract formula through labview graphical programming programming can use the mouse operation control, greatly facilitate the relevant user, and according to the actual needs of the existing 750 kw blade crankle coupling design of main girder, through comparison and reference material parameters, using carbon fiber to replace glass fiber unidirection redesign of main girder, will greatly improve the overall performance of the blades, and indirectly, to strengthen the strength of the coupling of blade bending and twisting, convenience is provided for the coupling of the measurement of blade bending and twisting.crankle coupling in this paper, based on the labview blade measurement software system design is completed, the input parameters, under the labview environment to test the line system, the test results show that the software runs stably, test speed, high precision and is worth popularizing actual.key words: labview; fan blades; crankle coupling; measurement system; the software designii目 录摘 要iabstractii1 绪 论i1.1 国内外的研究现状11.2 课题的来源与研究意义分析21.3 本文所做的主要工作31.4 论文的结构安排32 叶片弯扭耦合的设计理论分析52.1 叶片弯扭耦合设计效应52.1.1 叶片的卸载效应52.1.2 稳定功率输出62.2 叶片材料与耦合关系72.2.1 复合材料叶片72.2.2 合材料层合板叠层理论82.3 实例验证92.4 叶片中的铺层与耦合效应112.4.1 耦合控制系数112.4.2 叶片网格的划分142.5 本章小结143 利用labview设计叶片弯扭耦合测量系统153.1 labview简介153.2 把labview应用于叶片弯扭耦合测量上的优势分析193.3 把labview应用于叶片弯扭耦合测量上的难点分析203.4 本章小结204 叶片弯扭耦合测量的原理以及labview实现224.1 叶片弯扭耦合测量的原理分析224.1.1 国内外在叶片弯扭耦合测量领域采用的方法224.1.2 本文改进后的测量方法224.2 叶片弯扭耦合测量的labview实现224.2.1 叶片弯扭耦合测量的模块设计224.2.2 叶片弯扭耦合测量的labview仿真实现244.2.3 叶片弯扭耦合测量系统的性能测试254.3 叶片弯扭参考耦合测量系统的运行结果展示264.4 本章小结295 总结与展望305.1 主要结论305.2 研究展望30参考文献32致 谢34 1绪 论1.1 国内外的研究现状叶片是风机的主要部件，也是制约风机进一步发展的瓶颈，解决好叶片问题对于提高风机的效率具有重要的理论意义和现实意义，从实际要求来说，高效率、大容量、高抗阻性的风电机组必然要求高效率的风机叶片，再这样的背景下，以美国为代表的发达国家为了应对风机与叶片的矛盾，早在上世纪90年代就发布了相关理论的白皮书，其中1986年美国科学家约翰逊就提出了通过改进风页的机械结构或者材料构成来适应不断扩大的风机容量和效率，约翰逊为了证明自己理论的正确性于1988年设计了一个实验，通过力学与阻力学设计构造了一种新型的叶片外形，这种外形现在已经广泛使用，取得了良好的经济效益，随着科技的发展和进步，相关领域的科学家逐渐认识到叶片性能的提高除了改造自身外形和其构造材料之外还可以通过气弹剪裁来实现，通过查阅资料和请教指导老师得知，实现气弹剪裁的方式主要有两种，第一种是将铺层输入，比如常用的铺层材料，铺层方向作为设计参数，第二种是将叶片截面刚度弯扭耦合作为设计参数，这两种方法都可以从实质上增加叶片的性能，德国科学家里斯1997年提出了这两种方法的适用场合，里斯认为铺层输入法过于复杂，因为就一般的叶片设计过程中铺层最多可以达上百层，方法二由于方法简单，效果高，但是技术含量相对较高，现在在欧美等发达国家弯扭耦合方法被广泛应用，弯扭耦合是现代工程应用中常见的变形现象，总体来说，在国外，弯扭耦合现象研究较早，应用较早，技术相对成熟，在这样的背景下，随着弯扭耦合应用不断广泛，在叶片设计过程中如何准确的、快速的测量叶片弯扭耦合成为一项亟待解决的问题，欧美等发达国家也投入人力和物力致力于设计叶片弯扭耦合测量软件系统，并取得了一定成绩，现在在欧美等发达国家的叶片制造厂商都有自主开发的玩扭耦合测量系统，其中这些软件大部分采用labview编写。叶片弯扭耦合测量在国内发展缓慢，国内很多叶片生产厂商在应用高质量的叶片制造工艺时往往采用购买国外的专利等手段，导致我国高档叶片制造业长期处于较低水平，长期受制于欧美等发达国家，为了改变这一现状，我国相关部门也十分重视我国高档叶片的科研情况，并给与专项资金，配置高水平科研人员，其中玩扭耦合测试方法还成为了自然科研基金，总之，我国在叶片弯扭耦合测量领域水平较低、发展缓慢，本文在这种背景下，结合国外在该领域的科研情况，提出了一种基于labview的叶片弯扭耦合测量软件系统的设计与开发，该系统的开发可以为我国的弯扭耦合测量软件的设计与开发做了一点贡献，具有十分重要的作用。1.2 课题的来源与研究意义分析本课题的来源于实际生产中的实际需求，我国某叶片生产厂家为了改变完全依靠国外弯扭耦合测量软件的现状，下决心开发一款自主知识产权的弯扭耦合测量软件，在这种背景下，本文设计并实现了一种基于labview的叶片弯扭耦合测量软件。结合上文提到的我国在弯扭耦合测量软件领域的研究现状，本文所设计的基于labview的叶片弯扭耦合测量软件对于我国的弯扭耦合测量领域的发展具有十分重要的意义，本文所涉及的软件对于提高我国在该领域的国际科研地位，帮助国内叶片生产厂商冲破国外公司的技术束缚发挥了重要作用。由前所述，作者认为，具有良好柔顺自适性的大型叶片会为未来叶片设计的发展趋势之一。尽管在理论研究上表明，弯扭耦合有可行性与开发应用前景，但是其中还有一些棘手的问题需要解决：(1)由于风机叶片的几何形状复杂，铺层分布对叶片的耦合影响非常敏感，如何让叶片铺层来适应几何形状的变化，获得最佳的耦合性能，还有待深入研究；(2)在关心叶片最佳耦合效应的同时，建立一个全面合理的综合评价系统，用精确的量化关系来衡量弯扭耦合，对抗疲劳性和功率输出稳定性的贡献程度还有待深入研究；(3)碳纤维和玻璃纤维组成的混杂纤维的刚度不协调，在纤维横向上不能够提供大的拉伸应变以及承受大的横向剪切应力。当叶片产生耦合时，纤维的应变增大，横向应力也会相应增加很容易引发层间破坏，这对叶片的可靠性与疲劳寿命造成潜在的威胁。 本文主要的研究意义在于，将大型叶片的弯扭耦合效应与仿生设计结合在一起，从叶片的结构安全性，疲劳特性与功率输出响应出发，对叶片的自适应仿生设计进行全面的分析与评估，力求总结出一套具有最佳效应的弯扭耦合的设计方法。另外从国内风机叶片的制造现状来讲，虽然近十年来，风电产业在中国实现了飞速发展，现有国内风电产业虽然已具备中小型风机的产业化能力。然而不可否认的是，当前国内对于大型风力机系统的设计，还主要依赖于国外的技术支持。而叶片作为风机系统的关键零部件，特别是大型叶片，在弯扭耦合的弯扭耦合的设计研究也鲜有先例。本课题的研究工作，将为国内在弯扭耦合方面的研究作一些初期阶段的开拓性工作。1.3 本文所做的主要工作本文重点在以下几个方面进行分析和研究： 1) 研究纤维复合材料层合板的应力应变理论，深入探讨层合板刚度的可设计性与耦合效应之间的关系，最终获得弯扭耦合刚度设计的铺层方法，结合前文提到的第二种方法弯扭耦合法进行系统的研究现状分析介绍。2) 以纤维复合材料层合板铺层耦合设计理论为基础，研究控制风机叶片铺层耦合的参数与刚度的表达式。并探索其影响耦合控制系数的主要因素，找出其规律。 3) 探讨耦合叶片翼型设计的方法，并建立基准叶片模型，以此模型为基础，进行典型弯扭耦合的自适应叶片设计，建立合理和准确的自适应叶片计算模型，为下章基于labview的叶片弯扭耦合测量软件系统的设计打下理论基础。4) 分析影响叶片结构安全性与疲劳特性的主要因素，建立一套合理全面的评价系统。应用参数化设计方法，以纤维的偏轴角和体积比作为设计变量，对自适应叶片进行参数化设计，探讨达到最佳耦合效应的铺层分布方法，并对耦合叶片进行结构安全性能的评估，最后结合前述的理论参数，结合labniew的图像化编程，给出系统的labview界面和实际运行结果。5) 本文最后结合系统的设计过程和弯扭耦合自身的特点的，对系统的功能进行测试分析，实验研究树叶的内部材料组织特征与力学性能，获得其拓扑结构形状。最终将其应用到自适应叶片设计当中，最后对自适应叶片的疲劳寿命、卸载效应与功率输出等方面，做出定性与定量的评估。1.4 论文的结构安排全文结构上分为五章，接下来简单介绍各个章节的主要内容第一章是绪论：本章主要介绍了叶片弯扭耦合领域在国内外的研究现状以及简单介绍了课题的来源和课题的理论以及实际意义，最后本章给出了全文的主要内容和结构安排。第二章是叶片弯扭耦合的设计理论分析：在本章主要介绍在系统设计过程中所涉及到的各种理论知识，主要包括叶片弯扭耦合设计效应（包括叶片的卸载效应、稳定功率输出）、叶片材料与耦合的关系（包括复合材料叶片、复合材料层合版叠层理论）、实例验证、接下来本章介绍了叶片中的铺层与耦合效应（包括耦合控制系数、影响耦合控制系数的因素），最后对本章进行了小结。第三章是利用labview设计叶片弯扭耦合测量系统：本章是系统的重要章节，主要介绍了labview的发展历史，分析了把labview应用于叶片弯扭耦合测量上的优势与技术难点，为下章实际利用labview设计叶片弯扭耦合测量软件打下了理论基础，最后对本章进行了总结。第四章是叶片弯扭耦合测量的原理分析以及labview的实际实现:本章主要介绍了叶片弯扭耦合的测量原理以及系统各个功能模块的labview实现，本文先分析了国内外在弯扭耦合测量领域的常用方法，最后结合系统实际，给出改进过的弯扭耦合测量系统方案，基于以上方案，本章实际在labview环境下实现了叶片弯扭耦合的各个功能模块的设计与实现，主要分为三部分，首先进行系统的模块设计、然后在labvier环境下进行仿真实现，最后对系统进行测试和本章的总结。第五章是系统的总结与展望：本小节对系统设计过程中涉及到问题进行总结，对系统设计过程中遇到的弯路进行总结，以启迪后人，最后对系统的前景进行展望。2 叶片弯扭耦合的设计理论分析本章对系统设计过程中涉及到的理论技术进行介绍分析，主要涉及到理论包括叶片弯扭耦合的设计效应（包括叶片的卸载效应、稳定功率输出）、叶片材料与耦合的关系（包括复合材料叶片、复合材料层合版叠层理论）、系统理论的实际验证、叶片中的铺层与耦合效应（包括耦合控制系数、影响耦合控制系数的因素）最后对本章进行总结，接下来详细介绍这些理论知识。2.1 叶片弯扭耦合设计效应本小节主要介绍叶片弯扭耦合系统的设计效应，从两方面进行设计即叶片的卸载效应、稳定功率输出进行介绍，接下来详细介绍。2.1.1 叶片的卸载效应 叶片在运行过程中，主要受风载作用而产生拍打弯曲，弯曲变形随着风速的变化而变化。如果在高速阵风的作用下，叶片仍没有失速，攻角和升力都将产生很大的变化，这时叶片上的风载荷比失速载荷要更大，会对叶片产生严重的冲击。所谓叶片的弯扭耦合效应，就是希望叶片在发生弯曲变形的同时，也会发生扭转变形，从而导致叶片的攻角发生变化。由叶素理论可知，如果叶片攻角的大小发生变化，即可以改变风的净流速的大小，而从改变叶片的整体合速度，最终导致叶片的推力与阻力发生变化，减小拍打方向根部弯矩对叶片影响。2.1.2 稳定功率输出 叶轮的功率输出通常定义为： 上式中，p为空气密度；v 为风速；cp 为风能利用系数，即功率系数；s 为风轮扫掠面积。由式(2-4)可知，风轮的输出功率与功率系数的关系非常敏感。 根据相关文献47，功率系数与桨叶的桨距角和叶尖速比成非线性关系：由上式可知，叶片桨距角的变化对功率系数有很大影响。而叶片攻角的变化会改变桨距角的大小，从而导致功率系数发生变化。设计弯扭耦合叶片的目的之一，就是在风速发生变化时，希望叶片能够通过自身的耦合效应来调整桨距角，改善功率输出的稳定性。在风机的运行中，叶轮的输出功率必须稳定在一定的范围，如果叶片的攻角随风速的增大而变大，那么就能够减小功率的输出，达到稳定输出功率的目的。 以上提到的两点就即为叶片的自适应性。风力机叶片材料一般为纤维复合材料，而纤维复合材料的力学性能具有可设计性，这为叶片的弯扭耦合设计2.2 叶片材料与耦合关系 本小节介绍叶片材料与耦合的关系，本文主要从以下两方面介绍即复合材料叶片，复合材料层合版叠层理论介绍叶片材料与耦合的关系，下面做详细介绍。2.2.1 复合材料叶片 近二、三十年来，高性能的复合材料得到迅猛发展。玻璃钢与碳纤维，是复合材料的典型代表，它们广泛应用于航空、汽车、船舶、建筑、机械等领域。复合材料具有以下一系列的优越性： 1) 比强度高，比刚度高。即复合材料的既轻，强度和刚度又高。 2) 疲劳性能好。通常与材料种类、铺层方式以及疲劳载荷有关。 3) 可设计性。可设计复合材料纤维的含量及铺设方式，达到所需要的气动弹性。 4) 不易失效。复合材料为纤维和基体组成，即便个别纤维断裂，仍能安全使用一定期限。在风机系统中，叶片是关键零部件，叶片被要求具有可靠的结构、坚固的材料，以使叶片可承担风力、自重、惯性力等各种受力。叶片质量越轻、结构强度越高，抗疲劳强度就越好，运行就更安全可靠等。正因为复合材料具有上述优越性，已成为风力发电叶片的首选材料。目前，大型风机叶片主要采用玻璃纤维、玻璃纤维/碳纤维混杂、碳纤维等增强体复合材料。其中玻璃纤维因为价格比较便宜等因素，是风机叶片使用材料的主流。但是随着叶片的大型化，为了进一步减轻叶片的重量，提高叶片的可靠性，碳纤维与玻璃纤维组成的混杂纤维，也开始应用于大型特别是超大型叶片的制造。有生产商指出，叶片超过一定尺寸后，混杂纤维叶片的制作成本并不比玻璃纤维叶片的高，预计下一代 310 mw风力机的设计将更多的采用混杂纤维。因此，随着叶片的大型化和碳纤维成本的降低，由碳纤维等组成的混杂纤维材料在风机叶片上必然会得到更广泛的运用。2.2.2 复合材料层合板叠层理论 风机叶片在制造工艺上，是由复合材料纤维布层叠而成的，而纤维复合材料具有很强的可设计性，根据不同的纤维叠层分布，可设计出拉剪，弯扭等复杂的耦合效应，这一节我们重点从复合材料力学来探讨复合材料层合板的耦合设计。 （1）单向纤维板的应力与应变关系 一般采用为单向纤维板，该板为正交各向异性材料，具有不均匀性和各向异性。提供了可行性。单向复合材料一般作为层合板结构的基本单元使用。在分析层合板的力学关系时，可把适当大小的包含纤维和基体的体积单元，看作材料的基本构成元素。在实际应用中，复合材料通常以平板或壳体形式出现，即厚度方向与其他方向的尺寸相比一般很小。在讨论单层复合材料的力学性质时，可假设其为平面应力状态。（2）材料任意方向的应力应变关系当纤维板的纤维主轴方向与总体坐标系不一致时，需要研究单层材料任意方向的应力应变关系，来计算材料的刚度。图 2-2 是两种坐标之间的关系，表示从 x 轴转向主轴(1 轴)的角度，逆时针为正。图2.2 两种坐标之间的关系（3）层合板的刚度与强度设计 合板的刚度，需要做以下假设： 层合板的层与层之间无缝隙，忽略粘结层的厚度。层合板是由单层板按一定的顺序和角度叠层起来的。为了评价层的性能优劣，需要做实例验证，详细见下节。2.3 实例验证本文后续章节中，叶片的弯扭耦合设计都是基于有限元来计算的，为了验证应用有效应的准确性，下面通过应用理论推导和有限元分析两种方法，计算一个简单的层合板在耦合与未耦合铺层的情况下，合效应的正确性。量 ，径向模量 ，泊松比 ，剪切模量即纤维铺设方向沿层合板长度方向。因层合板规则形状，长、宽、高分别为 =10m、b=1m、h=0.3m限元法来计算耦合考察其的应力与变形，以此来验证耦现假设有一块简单的层合板，长 l=10m，宽度 1m，铺层数 30，每层厚度10mm。材料属性为：轴向模 ex=36.47gpa ey=12.6gpa ux=0.22gxy=3.94gpa 。固定根部，未端中点加一集中力 f=10kn。 下面先应用理论方法来推导层合板根部的应力与应变。假设此复合板为单向铺层，l。可以把此板等效为一根部固定的梁，由材料力学可得，梁根部弯矩为：而应用有限元法求解，结果如图 2.3 与 2.4 所示。根部正应力平均约为 67mpa，最大应变为 0.00187，与上述理论计算的结果很接近，这说明本文采用的有限元计算方法是可端位移如图 2.4所示，可见末端各节点的位移相等，没有扭转位移的发生。而将靠的。 接下来以此层合板为例，探讨层合板的耦合效应。首先在上述单向铺层的情况下，得到层板的末铺层方式改为角铺设，即所有层的纤维方向均为与长度方向(图中的 x 轴方向)成 20的夹角。再看末端位移的计算结果如图 2.3所示，可见末端已发生扭转变形，经计算为2.73，扭转方向与纤维偏置的方向一致。此外，本文在 040间作了多组角度计算，未在此文中体现，但均得到有相似的弯扭耦合效应。图2.3 根部正应力 图2.4 根部压缩应变由上述实例可知，当纤维在层合板中的铺设没有偏离坐标轴方向时，就不会产生耦合效应。而当纤维铺设偏离坐标轴向时，就会产生弯扭耦合效应，这正好验证了层合板的弯扭耦合理论是正确，同时说明应用有限元法来计算耦合效应是合理和准确的。2.4 叶片中的铺层与耦合效应2.4.1 耦合控制系数（1）叶片实体模型的建立叶片实体模型在ansys中采取自下而上的方式建立，模型建立前首先要确定叶片的翼型，翼型的形状直接影响叶片的气动性能。风机叶片的翼型是叶片在其展长方向上某一位面的轮廓线，翼型一般是瘦长形状，其前部较厚且有小圆弧状的前缘，而其后部较薄且有一较尖的后缘，如图1所示。为方便建模，根据750kw叶片翼型的特点，将叶片划分为44段，共有45个截面，建立每个截面的关键点，将关键点连接成线，然后连接相应的线成面，实现叶片的实体建模。（2）建立翼型截面轮廓线叶片截面的翼型数据可以通过profili软件得到，获得截面的关键点坐标以后，通过命令流的形式建立关键点（如图1所示），数据格式如下：翼型截面关键点建立以后，将每个截面的30个点分为6组，通过主菜单preprocessomodelingcreatelinessplinesplinethrukps建立6条曲线，即可得到翼型的某一轮廓线，如图2所示。在叶片的每两个翼型截面之间，以轮廓线上的曲线端点为关键点建立6条纵向直线，将叶片上所有的翼型轮廓线通过纵向直线连接起来。叶片翼型截面轮廓线共有45个，每两个截面间的曲线和直线都是对应的，因此通过主菜单preprocessormodelingcreateareasarbitrarybylines可以在对应的线段之间建立曲面，每两个翼型截面之间都有6个曲面，将所有的曲面建立完毕后即可得到整个叶片的实体模型，如图3所示。由于该叶片为空心结构，为了增加强度，在叶片中间加设主梁和腹板，主梁是以玻璃纤维粗纱为增强材料的预成型件，其宽度沿着展长方向递减，而厚度则是沿着展长方向先增大然后逐渐减小，腹板是等厚渐窄的夹芯结构预成型件。在模拟主梁时，将主梁在叶片上的区域按其形状单独分开，通过实常数赋值实现模拟。而腹板是在叶片的上下面内建立曲线，在上下对应的曲线之间通过主菜单preprocessormodelingcreateareasarbitrarybyskining建立腹板面来连接叶片的上下面，应用ansys中夹芯单元实现腹板的模拟。在ansys中，可用于模拟复合材料铺层结构的单元类型有solid46、shell91、shell99,shell181和solid191五种单元。根据叶片层合板的特点采用shell91和shell99两种类型单元模拟，shell91可以模拟具有夹芯结构的层合板，允许输入的复合材料多达100层；而shell99可以模拟非夹芯结构层合板，允许输入的复合材料多达250层。应用shell91模拟夹芯结构时，使单元参数keyopt(9)1，以此声明该结构为夹芯结构，同时使keyopt(5)1以获得中间层最精确的结果。shell91单元还可以对同一个节点定义两种材料属性。为使分析更加准确，要根据叶片的实际结构通过设置单元参数keyopt(11)来确定节点外置，见图4。如果节点中置（keyopt（11）0），则会影响计算结果，尤其是对叶片的弯曲应力和扭转刚度影响较大。为了使计算结果合理准确，ansys在选定shell91的夹芯结构功能时附加了一些限定条件：(1)夹芯与整个夹芯复合板的厚度比值最好5/6，但必须5/7，如图5所示；(2)蒙皮与夹芯杨氏模量得到比值最好在10010000范围内，但必须在41000000内；(3)在弯曲载荷作用下的曲率半径与夹芯复合板厚度的比值最好10，但必须8。风机叶片的主梁和蒙皮采用非等厚度复合材料铺层结构，如图6所示。在叶根处的复合材料铺层高达100多层，厚度也达到最大值，从叶根开始沿展长方向蒙皮厚度先减小后增大，在叶片中间保持不变，趋于叶尖时蒙皮厚度逐渐减至最小值，而在前后缘的蒙皮增强部位，也是非等厚度复合材料铺层结构。因此为了模拟叶片的实际铺层结构，根据蒙皮的不同厚度划分区域，设置了不同的实常数，每个实常数都包括相应的材料性能参数、铺层角和铺层厚度。本例在统计完叶片的实际铺层后做了部分简化，一共设置了100多个实常数，每个实常数都是对应于不同区域。2.4.2 叶片网格的划分在划分叶片网格时将shell91和shell99与实常数相结合来实现对叶片实际铺层结构的模拟，通过主菜单preprocessormeshingmeshtool进行网格划分，划分时采用映射与自由划分的方式来控制网格的精度。在模拟过程中，采用了两种实常数赋值法，即面赋值法和单元赋值法。所谓面赋值法，就是在划分网格时，将实常数赋值于要划分网格的面上，例如叶根、主梁、腹板等结构，通过此法就可以很容易地实现铺层的模拟；而单元赋值法，就是在划分网格时定义单元的尺寸，网格形成以后通过主菜单preprocessormodelingmove/modifyelementsmodifyattrib改变单元的实常数属性。例如在前后缘的增强部位，通过此法可实现对增强铺层的模拟。为减轻叶片的重量，在叶片的主梁两侧、前缘和后缘上使用了大量的夹芯结构。夹芯结构由蒙皮和夹芯材料组成，夹芯结构的使用降低了叶片成本，增强了叶片的局部抗弯和抗剪能力，并使整个叶片达到轻质高强。利用shell91（keyopt（9）=1）来模拟叶片的夹芯结构进行网格划分时，在前缘部位存在一些单元因不能满足夹芯结构的限定条件而无法进行求解计算，但由于叶片的外形和前缘曲率已经确定，故将这些不满足要求的单元用不带夹芯结构的shell91（keyopt（9）0）来模拟，虽然这会对结果产生偏差，但这种偏差在允许范围。将叶片的网格全部划分完成以后，叶片的有限元模型也就建好了，对建好的有限元模型施加边界条件和各种工况载荷，就可研究叶片的强度、刚度、振动频率和疲劳寿命等结构性能，以完成对叶片的结构分析和设计研究。图7所示为叶片的某一截面结构图。图8所示为叶片的有限元模型。2.5 本章小结 本章主要介绍了叶片弯扭耦合的设计理论分析，主要涉及叶片弯扭耦合的设计效应、叶片材料与耦合的关系、实例验证、叶片中的铺层与耦合效应等几方面介绍了系统涉及到的理论知识，本章为系统的成功实现打下了良好的理论基础。3 利用labview设计叶片弯扭耦合测量系统3.1 labview简介labview是一种程序开发环境，由美国国家仪器（ni）公司研制开发，类似于c和basic开发环境，但是labview与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而labview使用的是图形化编辑语言g编写程序，产生的程序是框图的形式。 labview软件是ni设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。 labview开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。解析与 c 和basic一样，labview也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。labview的函数库包括数据采集、gpib、串口控制、数据分析、数据labview标志显示及数据存储，等等。labview也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子vi）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。labview（laboratory virtual instrument engineering workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 labview 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了vi及函数的执行顺序。vi指虚拟仪器，是 labview 的程序模块。labview提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 labview 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称g代码。labview 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。特点尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。未来虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是ieee488 或gpib协议。未来的仪器也应当是网络化的。labview（laboratory virtual instrument engineering workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。labview集成了与满足 gpib、vxi、rs-232和 rs-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用tcp/ip、activex等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为 “g” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用 labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。像许多重要的软件一样，labview提供了windows、unix、linux、macintosh的多种版本。它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件！现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统（支持32位的嵌入式系统，并且可以扩展的），不断完善中(大家可以搜索 cpuview 会有更详细信息；）虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国ni 公司的 labview。虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。pc机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在 microsof t公司的 windows 诞生之前，ni公司已经在macintosh计算机上推出了labview2.0 以前的版本。对虚拟仪器和 labview2长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前labview 的最新版本为 labview2014，labview 2009 为多线程功能添加了更多特性，这种特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用 labview 软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、labview real-time 工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。普通的 pc 有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了vxi 标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的 vxi 机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。vxi 仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的 pxi 标准仪器。labview有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。测试测量：labview最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在labview最广泛的应用领域。经过多年的发展，labview在测试测量领域获得了广泛的承认。至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的labview驱动程序，使用labview可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的labview工具包。这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用程序。控制：控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的labview自然而然地首先拓展至控制领域。labview拥有专门用于控制领域的模块-labviewdsc。除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的labview驱动程序。使用labview可以非常方便的编制各种控制程序。仿真：labview包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。在设计机电设备之前，可以先在计算机上用labview搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。在高等教育领域，有时如果使用labview进行软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。儿童教育：由于图形外观漂亮且容易吸引儿童的注意力，同时图形比文本更容易被儿童接受和理解，所以labview非常受少年儿童的欢迎。对于没有任何计算机知识的儿童而言，可以把labview理解成是一种特殊的“积木”：把不同的原件搭在一起，就可以实现自己所需的功能。著名的可编程玩具“乐高积木”使用的就是labview编程语言。儿童经过短暂的指导就可以利用乐高积木提供的积木搭建成各种车辆模型、机器人等，再使用labview编写控制其运动和行为的程序。除了应用于玩具，labview还有专门用于中小学生教学使用的版本。快速开发：根据笔者参与的一些项目统计，完成一个功能类似的大型应用软件，熟练的labview程序员所需的开发时间，大概只是熟练的c程序员所需时间的1/5左右。所以，如果项目开发时间紧张，应该优先考虑使用labview，以缩短开发时间。跨平台：如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上，也可以优先考虑使用labview。labview具有良好的平台一致性。labview的代码不需任何修改就可以运行在常见的三大台式机操作系统上：windows、mac os 及 linux。除此之外，labview还支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的pda、fpga以及运行vxworks和pharlap系统的rt设备。每位labview用户的起点都是开发系统1，这一开发系统也是图形化编程的基础环境。 以下软件包的功能相辅相成，可帮助用户满足当前和未来的需求。labview包括基本版，完整版和专业版。labview基本版：图形化用户界面开发数据采集仪器控制报告生成和文件i/olabview完整版：700多个数学/分析函数外部代码集成 (.dll)互联网连接高级用户界面开发labview专业版：应用发布 (creat.exe)开发管理源代码控制网络通信附件模块由于labview的模块化特性，可通过添加ni和第三方的附加软件来满足顾客的项目需求。 下方列出的各种labview函数和高级工具可用于帮助用户开发特定应用并将其部署至终端。集成部署硬件：结合可编程自动化控制器(pac)，设计、原型与部署硬件终端，如实时系统和基于现场可编程门阵列(fpga)的系统例如：labview real-time模块，labview fpga模块，用于arm微控制器的ni labview嵌入式模块，ni labview mobile模块，ni labview触摸屏模块，ni labview无线传感器网络模块，labview c代码生成器，ni实时管理程序信号处理、分析和连接：添加用于声音和振动测量、机器视觉、rf通信、瞬时与短时信号分析等的专用图像和信号处理函数。例如：labview视觉应用开发模块，声音和振动测量套件，声音与振动工具包，ni labview因特网工具包，ni labview高级信号处理工具包，ni labview自适应滤波器工具包，ni labview数字滤波器设计工具包，ni labview mathscript rt模块，频谱测量工具包，ni labview调制工具包，ni labview机器人模块，labview生物医学工具包，labview电能套件，ecu测量和校准工具包，用于labview的gps仿真工具包，用于固定wimax的测量套件，ni wlan测量套件，汽车诊断指令集，labview gpu分析工具。控制与仿真：使用高级控制算法、动态仿真与运动控制软件，设计、仿真并执行控制系统。例如：ni labview pid和模糊逻辑工具包，ni labview控制设计与仿真模块，ni labview系统辨识工具包，ni labview仿真接口工具包，labview ni softmotion模块。数据管理、记录与报表生成：快速记录、管理、搜索采集的数据并将其导出