极限载荷条件下的风力机叶片铺层优化设计研究

发布时间：2020-10-19 23:50

　　 大型风力机叶片的结构设计主要集中在叶片的铺层设计。开展叶片铺层的优化设计研究对降低叶片成本、弥补现有计算分析软件的功能缺陷以及提高叶片的设计效率具有重要意义。由于在叶片的铺层设计过程中,需要考虑的设计要求多、变量多、目标多,进行优化设计建模复杂。尤其是与载荷相关的极限弯矩、最大叶尖偏移、极限强度等设计要求的计算复杂费时,需要进行深入研究并建立适当的模型。因此,本文将对用于叶片铺层设计的优化算法以及一些设计要求展开研究,最终建立一种极限载荷条件下的叶片铺层优化设计模型,以用于不同的叶片铺层设计。完成的研究工作如下： 第一,针对风力机叶片铺层设计过程中多目标、多约束的特点,在作者原有改进的单目标粒子群算法基础上,结合小生境技术,建立了一种改进的多目标粒子群算法。测试函数的计算结果表明,该算法具有较强的多目标寻优能力,可以做为风力机叶片铺层的优化设计工具。 第二,建立了叶片实际铺层同叶片结构特性之间的关系,并对其进行了验证。验证结果表明,PreLayers和PreComp结合用于叶片的结构特性计算是可行的。另外,采用曲线关系表示叶片的刚度分布,比采用线性关系表示,其计算结果更接近于实验值。这对以后叶片的有限元建模具有指导意义。而后分析了叶片铺层参数对叶片截面刚度的影响和原因。研究表明：在不增加截面质量线密度的条件下,将铺层放在截面厚度越大的位置对挥舞刚度的贡献越大,这一结论为叶片的刚度设计提供了指导。 第三,结合PreLayers和PreComp程序,编程建立了叶片自振频率以及叶片质量的计算模型,并进行了验证。然后分析了叶片铺层参数对一阶挥舞频率的影响。结果表明,在不增加叶片质量的条件下,将叶片铺层向叶根方向移动将有助于提高叶片的一阶挥舞频率,为叶片频率设计提供了指导。 第四,对极限载荷产生的原因进行了分析。得到了攻角α在0.0到90.0度的范围内时,C,-a曲线的理论边界曲线方程,并对设计低载翼型提出了新的要求。其次分析得到了较大叶尖速比时(λr≥4),入流角、入流速度与风力机参数之间的关系式,且有当局部尖速比越大时,V0→Ωr的结论。通过进一步分析,得到了相比于Cn的增大,转速的增大更易产生极限载荷的结论。据此对控制极限载荷提出了相应的要求。然后,依据以上的研究分析结果,结合改进的PSO算法,建立了一种新的极限载荷预测模型ELPM。计算结果表明,ELPM可以用于风力机叶片的极限载荷预测。最后,基于ELPM模型计算得到的极限载荷,给出了一种简单合理的最大叶尖偏移以及极限强度的计算方法。 第五,基于以上的研究结果,建立了一种极限载荷条件下的风力机叶片铺层优化设计模型。在该模型中,PreLayers程序可以对不同的叶片进行参数化建模；自由变量、目标函数和约束条件可以根据不同的设计目标和要求进行改变；并且该模型能够考虑大部分的设计要求,如质量、频率、最大叶尖偏移、极限强度等。模型的应用结果表明,可以将其用于不同叶片的铺层设计。
【学位单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：TK83
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
图目录
表目录
第一章 引言
    1.1 课题研究背景
        1.1.1 国内外风电产业发展状况
        1.1.2 大型叶片结构设计技术的研究现状
        1.1.3 叶片计算分析软件现状与趋势
    1.2 叶片设计面临的新形势
    1.3 课题主要研究内容
第二章 叶片优化设计方法分析
    2.1 粒子群算法介绍
    2.2 改进的单目标粒子群算法介绍
        2.2.1 基本原理
        2.2.2 约束条件的处理
        2.2.3 计算流程
    2.3 改进的多目标粒子群优化算法
        2.3.1 多目标优化问题介绍
        2.3.2 改进多目标粒子群算法建模
        2.3.3 算法的测试及分析
    2.4 小结
第三章 叶片结构特性计算及铺层影响分析
    3.1 叶片截面铺层的参数化建模
        3.1.1 叶片截面铺层的参数化建模算法
        3.1.2 Prelayers程序验证
    3.2 叶片截面的结构特性参数计算
        3.2.1 叶片截面的结构特性参数计算方法
        3.2.2 Precomp程序验证
    3.3 叶片的质量计算
    3.4 叶片的模态计算
    3.5 叶片刚度的优化设计与铺层影响分析
        3.5.1 基于叶片铺层的叶片刚度优化设计建模
        3.5.2 模型应用及铺层参数影响分析
        3.5.3 改变设计变量及铺层参数影响分析
    3.6 叶片频率的优化设计与铺层影响分析
        3.6.1 基于叶片铺层的叶片频率优化设计建模
        3.6.2 模型应用及铺层参数影响分析
    3.7 小结
第四章 叶片极限载荷分析及预测建模
    4.1 法向力系数对极限载荷的影响分析
    4.2 入流速度对极限载荷的影响分析
    4.3 极限载荷预测建模
        4.3.1 自由变量选取
        4.3.2 载荷计算方法
        4.3.3 约束条件处理
        4.3.4 极限载荷计算流程
        4.3.5 计算结果与分析
    4.4 风力机叶片最大叶尖偏移的计算
    4.5 叶片的极限强度计算
    4.6 小结
第五章 极限载荷条件下的叶片铺层优化设计
    5.1 优化设计建模
        5.1.1 设计变量
        5.1.2 目标函数
        5.1.3 约束条件
        5.1.4 计算流程
    5.2 设计实例及结果分析
        5.2.1 1.5MW风力机叶片优化设计结果与分析
        5.2.2 3.0MW风力机叶片优化设计结果与分析
    5.3 小结
第六章 结论及展望
    6.1 结论
    6.2 展望
主要符号对照表
附录A
参考文献
己发表和待发表文章
致谢
个人简历

【引证文献】

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本文编号：2847882