基于DMO的复合纤维风力机叶片铺层参数优化

发布时间：2020-07-14 04:59

【摘要】：复合纤维风力机叶片的成型是一个多相材料、多参数、多目标的复杂铺放过程。随着叶片单机功率和尺寸的增大,对其性能要求越来越高。不同铺层参数的组合使叶片的性能也不同。由于复合纤维具有各向异性的性质且纤维角度不是连续变量,而是有限的离散变量,因此可以将不同铺层角度的纤维视作不同的材料,则铺层角度优化即转化为离散多相材料的拓扑优化问题。叶片各层的铺层角度确定了,则铺层顺序和各铺层纤维的厚度亦确定。为进一步发挥铺层参数的可设计性潜力,论文以风力机叶片为对象开展离散多相材料铺层参数优化设计研究,完成的主要工作有:在阐述复合纤维风力机叶片结构优化国内外研究现状的基础上,依据离散多相材料拓扑优化理论,提出了离散材料优化方法与遗传算法相结合的风力机叶片细观单元铺层角度优化方法。采用编程语言对有限元软件进行二次开发,通过运行离散多相材料拓扑优化程序调用有限元软件进行分析,并提取有限元分析结果进行遗传算法寻优,从而完成离散多相材料拓扑优化设计。依据离散材料优化理论与方法,以细观单元铺层角度为设计变量、应力最小为约束条件,刚度最大为目标函数,基于DMO(Discrete Material Optimization)方法建立了复合纤维风力机叶片离散多相材料拓扑优化数学模型。在Abaqus软件中完成了复合纤维风力机叶片的有限元分析,采用灵敏度分析方法推导出了结构响应量对纤维角度相变量的灵敏度信息。应用遗传算法求解了叶片离散多相材料拓扑优化数学模型,得到了叶片各层各单元优化的铺层角度,对优化前后叶片的性能进行了对比分析,结果表明优化后叶片的性能得到了显著提升,基于离散材料优化方法建立复合纤维风力机叶片离散多相材料拓扑优化数学模型并应用遗传算法进行优化求解是合理可行的。论文研究成果可为工程实践中复合纤维铺放成型结构件设计与制造、铺放控制的研究奠定必要的理论基础和技术支撑,有着极其重要的现实意义和强烈的工程应用背景。
【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】：

应力图,铺层角,层合板,合板

Layer 5 Layer 6图 4-5 层合板的原始铺层角度Fig. 4-5 The original ply angle of the laminatea) 最大位移 b)Tsai-wu 失效因子c）Mises 应力图 4-6 原始铺层下层合板的有限元分析结果Fig. 4-6 Finite element analysis results of original ply angle

应力图,铺层,铺层角,复合纤维

c）Mises 应力图 4-6 原始铺层下层Fig. 4-6 Finite element analy根据图 4-6 有限元分析结果可以看出，移为 3.364mm，最大 Tsai-wu 失效因子为 0（2）采用遗传算法求解复合纤维层合优铺层角度，优化迭代终止后层合板各层的和 4-8 所示。

应力图,合板,铺层角,迭代

Layer 5 Layer 6图 4-7 优化迭代终止后层合板的铺层角度Fig. 4-7 Optimizing the layer angle of laminated plate after completiona)最大位移 b)Tsai-wu 失效因子c)Mises 应力图 4-8 优化迭代终止后层合板的有限元分析结果

【参考文献】