铺层参数对风力机叶片性能的耦合影响分析与优化

发布时间：2020-06-23 04:56

【摘要】：复合纤维叶片作为风电机组的关键部件,其性能直接影响风力机的安全稳定运行和使用寿命。随着叶片尺寸的增大,对叶片的刚度和强度等性能要求也越来越高。叶片的铺层结构决定其性能既受单一铺层参数的影响,又受铺层参数的耦合影响。因此,控制叶片成型过程中的铺层参数是保证叶片性能的关键。论文从复合材料基础理论入手,以1.5MW风力机叶片为研究对象,采用试验设计、数值仿真和多元回归等方法,分析铺层参数对叶片性能的耦合作用机理及宏观性影响规律,并优化铺层参数,从而掌握了叶片性能的预测和控制方法,提高了叶片性能。论文主要研究工作如下:首先,针对铺层顺序离散变量优化问题,通过设计复合材料弯扭刚度矩阵,建立弯扭刚度矩阵和正轴刚度不变量间的数学关系,实现了铺层顺序的量化。其次,针对叶片成型过程中铺层参数对叶片性能的影响,以铺层参数(铺层角度、±X°铺层厚度比例、铺层顺序)为自变量,叶片性能指标(Tsai-wu失效因子、最大位移)为因变量,采用均匀试验设计法设计试验方案,在Abaqus中仿真分析了叶片的静强度和刚度,分析了铺层参数对风力机叶片的耦合影响。采用多元回归分析法建立了铺层参数与叶片性能指标间的数学模型,验证了回归模型的显著性。在此基础上,利用回归模型拟合了铺层参数对叶片性能的影响曲线和曲面,分析了单因素和两两因素耦合对叶片性能的宏观性影响规律,获得了较优铺层参数取值域。最后,在较优铺层参数值域的基础上,重新设计试验方案进行仿真分析,采用偏最小二乘回归法分析仿真结果,分别建立了关于叶片强度和刚度的两个单目标优化数学模型。采用层次分析法计算出各目标的权重并进行了一致性检验,通过加权求和将各单目标优化数学模型转化为多目标优化数学模型。基于多目标优化数学模型,应用模拟退火算法对铺层参数进行全局优化,得到叶片综合性能最优的铺层参数。将优化前后的叶片性能进行对比验证,优化后的叶片性能得到提高,验证了方法的可行性和有效性。论文研究成果可为复合纤维风力机叶片的铺层控制和性能优化的研究提供必要的理论基础和技术支撑。
【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】：TM315
【图文】：

趋势图,风电,装机容量,全球

Fig. 1-2 Global wind power installed capacity increase trend球范围内，风能利用的主要方式是风力发电。风电机组叶片是决定风件，影响风力机的年发电量，其运行过程中的受力情况异常复杂，承。因此，叶片的良好设计直接影响风力发电机及其部件的性能和寿命容量和叶片尺寸的不断增大，叶片形状和结构更加复杂，对叶片的设。机叶片要求机械性能良好，能承受各种极端载荷，同时要求重量轻，，因此多采用轻型材料和结构[5]。目前，国内外对大型风力机叶片材选择具有制造工艺简单、比强度高、可设计性强等优点的复合纤维材放、真空灌注等成型工艺制造而成[6]。来，国内外关于风力机叶片的研究结果表明，确定合理的铺层参数是定运行的关键。因此，探究并认识铺层参数对叶片成型过程及叶片性示其对叶片性能影响的作用机理，寻求合理的铺层参数优化组合，实测和控制，具有重要的研究意义。合纤维风力机叶片结构铺层优化国内外研究现状

单向板,结构形式,纤维方向,主方向

单向板的结构形式

【参考文献】