复合纤维风力机叶片多相材料结构拓扑优化设计与应用

发布时间：2020-05-26 14:33

【摘要】：叶片铺层设计是一个多相材料、多参数、多目标的复杂过程,现有的研究难以满足设计要求。不同复合纤维和软夹芯材料的空间布局将产生不同的叶片蒙皮拓扑结构、纤维含量、性能和质量。随着风轮向单机大功率、轻量化、高性能、低成本的方向发展,对叶片的性能和重量也提出了更高的要求,迫切需要进一步充分发挥材料空间布局的可设计性潜力。针对叶片特定的结构、受力载荷和制造约束,拟将复合材料层合板理论与多相材料拓扑优化方法交叉融合,采用理论分析、数学建模、算法求解、数值仿真等相结合的方法对叶片进行多相材料拓扑优化。为此,在满足叶片的静强度设计的基础上,研究叶片的轻量化设计。论文完成的主要工作有:阐述结构拓扑优化设计国内外研究现状,根据复合纤维层合板的理论知识和多相材料拓扑优化方法,提出了融合ICM方法和序列二次规划算法的风力机叶片多相材料拓扑优化方法。论文采用Box-Behnken试验设计方法,设计试验方案,在ABAQUS中仿真不同试验方案得出Tsai-wu失效因子;依据多元线性回归分析和方差分析法,以铺层参数为设计自变量,叶片Tsai-wu失效因子为衡量叶片静强度的响应指标,建立了铺层参数与响应指标的映射函数关系式,并检验了各铺层参数、铺层参数交互项及数学模型对叶片静强度的显著性。在此基础上采用数值优化得到满足叶片静强度的铺层参数较优值。为获得重量较轻的叶片,在满足叶片的静强度的基础上,基于独立连续映射法,建立了风力机叶片拓扑优化数学模型,并应用序列二次规划算法进行求解,得到了复合纤维和软夹芯材料合理的空间布局,叶片总质量减重166kg,实现了叶片轻量化目标。基于等代设计法,对优化后叶片的拓扑结构进行了局部调整再设计;经校核,再设计后叶片的静强度满足设计要求。验证了方法的有效性和可行性。论文研究成果为大型复合纤维风力机叶片的结构铺层设计和轻量化提供了参考依据。
【图文】：

叶片,大风,低温,风电机组

内蒙古工业大学硕士学位论文开发为标志。截止 2018 年底全区风电装机容量已达 2869 万千瓦，占全国风的 17%[3]，，位居全国首位；自治区相关部门预测到 2020 年内蒙古风电装机到 4500 万千瓦[4]，大型风力机叶片在内蒙古地区具有巨大的市场需求。风电机组运行大多处于高风速高海拔区域，环境极为恶劣。风电机组的关键受力情况异常复杂，承受着大部分的动态和静态载荷，导致叶片在运行过程叶片折断、表面结冰和表面裂纹等现象，如图 1-2 所示。风力机叶片必须具户外自然环境下使用的耐侯性与合理的经济性。所以对叶片进行结构优化设风电机组稳定运行的关键因素，直接影响风电产生的经济效益。论文将在叶到较优的基础上应用拓扑优化方法对其进行轻量化设计。

拓扑优化,梁结构,构型

290单位：mm图 2-1 梁结构Fig. 2-1 beam structure表 2-1 材料的属性Table 2-1 Properties of materials材料弹性模量/GPa 泊松比密度/3kg m 碳钢 200 0.29 7900铝 72 0.33 2700算例首先考察惩罚参数对优化结果的影响，当惩罚参数 4时，优化迭代 83步收敛，结构拓扑优化结构如图 2-2 所示。从中可以看出拓扑优化结构实现了材料的合理的空间布局，强相材料碳钢始终布置在约束位置和施加载荷位置的区域；弱相材料铝分布在受力较小的区域。该算例说明采用独立连续映射法进行多相材料拓扑优化是可行的。
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM215

【参考文献】