复合材料风力机叶片结构厚度优化设计
发布时间：2021-08-14 19:34
复合材料风力机叶片铺层厚度对叶片性能影响作用明显,不同角度纤维布所占铺层厚度不同对叶片结构性能影响不同。采用遗传算法作为优化算法,以某1. 5 MW成熟风机叶片作为研究模型,探究单向纤维布铺层厚度对风机叶片性能影响的特性规律。根据风力机叶片结构特点,确定合适建模方法,寻求适于非对称层合板的目标函数、遗传算子（选择、交叉、变异）等,并在此基础上得到采用不同纤维布铺设的风机叶片铺层厚度最优解。
【文章来源】：包钢科技. 2018,44(05)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
某1.5MW叶片截面结构示意图
，适应风场等级IECⅢA。叶片为主梁双腹板结构，由内外蒙皮、主梁、腹板等构成，如图1所示。图1某1.5MW叶片截面结构示意图风力机叶片铺层为典型非回转体不等厚度铺放，依据已有实际铺层方案对其分层逐段建模，其过程相对繁琐、工作量大。综合考虑叶片建模可行性、有效性等相关因素，选取距离距叶根14.6m处为研究对象，建立有限元模型。在叶片每个受力截面中心处施加等效后的三个方向的集中力和三个方向的弯矩载荷，对叶片根部进行六个自由度上的全约束。最终得到如图2所示的有限元模型，其中共包含9060个单元，9120个节点。图2某1.5MW风力机叶片有限元模型1．1叶片材料属性复合材料纤维布的基本属性如表1所示。表1复合纤维布基本参数材料弹性模量/MPa剪切模量/MPa泊松比单轴向布Ex33190Gxy3690μxy0．230Ey11120Gyz3000μyz0．110Ez10120Gxz3000μxz0．110双轴向布(±45°)Ex12500Gxy6000μxy0．626Ey11300Gyz6000μyz0．626Ez10000Gxz3200μxz0．140密度依次为1.93×103kg/m3、1.91×103kg/m3。1．2叶片载荷叶片不同位置载荷的精确性，对整机叶片的分析具有重要意义。本文选用叶片在50年一遇极端运行阵风(EOG50)情况下的工况作为叶片运行环境条件，经Bladed软件处理，得到DCL1．6极限载荷工况载荷作为计算载荷工况(如表2所示)。表2DCL1．6极限工况下叶片各截面载荷截面位置/m集中力载荷/kNFXFYFZ弯矩载荷/(kN．m－1)MXMYMZ0．753．033055
确定合适的纤维布铺层厚度(即铺层比例)对于提高叶片的机械性能有重要作用。叶片的刚度和强度是衡量叶片性能的两个重要参数，而叶片本身结构为典型非等厚度规则回转体，直接以刚度和强度计算叶片整体优化模型其铺层层数多、过程繁琐、计算工作量大。为提高计算效率，首先建立叶片近似模型，将叶片原始铺层结构进行简化，然后分别以叶片刚度、强度为优化目标函数，采用同种铺层方案进行叶片铺层，以有限元法和遗传算法相结合的方法作为优化方法，对近似模型进行结构寻优设计。其简化近似模型如图3所示。图3风力机叶片近似模型在叶片的三个不同部位，以原有铺层方案为基础，重新设计六种铺层方案，建立近似模型铺层结构(如表3所示)。表3六种铺层方案位置序号铺层方案循环数过渡处1［0°/(±45°)/90°］NT52［0°/(±45°)/0°］NT5其他部位3［0°/(±45°)/0°/0°］NT44［0°/0°/(±45°)/0°］NT4加强处5［0°/(±45°)/(±45°)/90°］NT46［0°/(±45°)/(±45°)/0°］NT42．2．1铺层优化设计数学模型以结构刚度为目标函数时设计近似模型的最大位移最小;以结构静强度为目标函数时设计近似模型最大主应力最小。两种不同优化设计方案的数学模型可整体表述为:最小化(minimize):f(X)=f(x1，x2，…．xn)约束条件(subjectto):gj(X)≤0j=1，……，mhhk(X)=0k=1，……，mhxLi≤xi≤xUii=1，……，n式中，X=(x1，x
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传算法的风力机叶片结构铺层厚度优化[J]. 孙鹏文,侯战华,岳彩宾,李建东,安佰伟. 太阳能学报. 2016(06)
[2]基于遗传算法的大型风机复合材料叶片根部强度优化设计[J]. 冯消冰,黄海,王伟. 复合材料学报. 2012(05)
[3]基于最终失效强度的层合板结构优化分析[J]. 王向阳,郭奔. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2006(01)
本文编号：3343056
【文章来源】：包钢科技. 2018,44(05)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
某1.5MW叶片截面结构示意图
，适应风场等级IECⅢA。叶片为主梁双腹板结构，由内外蒙皮、主梁、腹板等构成，如图1所示。图1某1.5MW叶片截面结构示意图风力机叶片铺层为典型非回转体不等厚度铺放，依据已有实际铺层方案对其分层逐段建模，其过程相对繁琐、工作量大。综合考虑叶片建模可行性、有效性等相关因素，选取距离距叶根14.6m处为研究对象，建立有限元模型。在叶片每个受力截面中心处施加等效后的三个方向的集中力和三个方向的弯矩载荷，对叶片根部进行六个自由度上的全约束。最终得到如图2所示的有限元模型，其中共包含9060个单元，9120个节点。图2某1.5MW风力机叶片有限元模型1．1叶片材料属性复合材料纤维布的基本属性如表1所示。表1复合纤维布基本参数材料弹性模量/MPa剪切模量/MPa泊松比单轴向布Ex33190Gxy3690μxy0．230Ey11120Gyz3000μyz0．110Ez10120Gxz3000μxz0．110双轴向布(±45°)Ex12500Gxy6000μxy0．626Ey11300Gyz6000μyz0．626Ez10000Gxz3200μxz0．140密度依次为1.93×103kg/m3、1.91×103kg/m3。1．2叶片载荷叶片不同位置载荷的精确性，对整机叶片的分析具有重要意义。本文选用叶片在50年一遇极端运行阵风(EOG50)情况下的工况作为叶片运行环境条件，经Bladed软件处理，得到DCL1．6极限载荷工况载荷作为计算载荷工况(如表2所示)。表2DCL1．6极限工况下叶片各截面载荷截面位置/m集中力载荷/kNFXFYFZ弯矩载荷/(kN．m－1)MXMYMZ0．753．033055
确定合适的纤维布铺层厚度(即铺层比例)对于提高叶片的机械性能有重要作用。叶片的刚度和强度是衡量叶片性能的两个重要参数，而叶片本身结构为典型非等厚度规则回转体，直接以刚度和强度计算叶片整体优化模型其铺层层数多、过程繁琐、计算工作量大。为提高计算效率，首先建立叶片近似模型，将叶片原始铺层结构进行简化，然后分别以叶片刚度、强度为优化目标函数，采用同种铺层方案进行叶片铺层，以有限元法和遗传算法相结合的方法作为优化方法，对近似模型进行结构寻优设计。其简化近似模型如图3所示。图3风力机叶片近似模型在叶片的三个不同部位，以原有铺层方案为基础，重新设计六种铺层方案，建立近似模型铺层结构(如表3所示)。表3六种铺层方案位置序号铺层方案循环数过渡处1［0°/(±45°)/90°］NT52［0°/(±45°)/0°］NT5其他部位3［0°/(±45°)/0°/0°］NT44［0°/0°/(±45°)/0°］NT4加强处5［0°/(±45°)/(±45°)/90°］NT46［0°/(±45°)/(±45°)/0°］NT42．2．1铺层优化设计数学模型以结构刚度为目标函数时设计近似模型的最大位移最小;以结构静强度为目标函数时设计近似模型最大主应力最小。两种不同优化设计方案的数学模型可整体表述为:最小化(minimize):f(X)=f(x1，x2，…．xn)约束条件(subjectto):gj(X)≤0j=1，……，mhhk(X)=0k=1，……，mhxLi≤xi≤xUii=1，……，n式中，X=(x1，x
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传算法的风力机叶片结构铺层厚度优化[J]. 孙鹏文,侯战华,岳彩宾,李建东,安佰伟. 太阳能学报. 2016(06)
[2]基于遗传算法的大型风机复合材料叶片根部强度优化设计[J]. 冯消冰,黄海,王伟. 复合材料学报. 2012(05)
[3]基于最终失效强度的层合板结构优化分析[J]. 王向阳,郭奔. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2006(01)
本文编号：3343056
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