[發明專利]一種水平軸風力機葉片鋪層的優化設計方法

有效

• 申請號: 201210193839.2
• 申請日: 2012-06-12
• 公開（公告）號: CN102750410A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 廖猜猜;石可重;趙曉路;徐建中
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及水平軸風力機葉片鋪層的設計技術領域，特別是水平軸風力機極限載荷的預測計算方法以及極限載荷條件下的風力機葉片鋪層優化設計方法。

技術背景

現代大型風力機主要以水平軸的結構型式為主。葉片作為其關鍵部件之一，它的性能直接關系到整個風電機組的風能轉換效率和制造成本，而現在的水平軸風力機葉片主要是由復合材料鋪層制成。所以開展風力機葉片鋪層的優化設計對降低風電機組成本及提高葉片的可靠性具有重要意義。

風力機葉片的鋪層設計需要考慮的設計要求很多，如葉片的質量、葉片的固有頻率、葉根的極限載荷、葉片的最大葉尖偏移、葉片的最小極限安全因子等。其中葉根的極限載荷、葉片的最大葉尖偏移和葉片的最小極限安全因子與葉片受到的載荷直接相關，尤其是與葉片受到的極限載荷相關。到目前為止,大部分風力機主要是因為各種極限狀況的出現而失效的,嚴重的甚至無法修復。因此，極限載荷是葉片鋪層設計時的重點。另外，國內的低風況區域分布廣泛，隨著我國風電產業的發展，設計出能適應低風況的葉片將是大勢所趨。但此類葉片的設計與傳統的葉片設計相比具有如下特點，葉片本身將變得更長，葉片也更柔，而與整機的接口參數如葉根的最大彎矩等又不允許增加，因此如何控制極限載荷以及開展極限載荷條件下的葉片設計已經成為急需解決的技術難題。而傳統的葉片設計理念和方法，大部分均以葉片的最大氣動效率，如最大能量輸出、最小能量成本,最小質量等經濟性指標為設計目標，進行葉片氣動、結構設計及優化。

在得到風力機的極限載荷后，由于葉尖偏移與載荷成正比，安全因子與載荷成反比，可以將葉片各截面的極限載荷同時加載到葉片上，進行最大葉尖偏移計算和最小極限安全因子計算評估。而工程設計上使用的方法主要還是采用多工況的氣彈模擬計算，然后統計得到葉片的最大葉尖偏移和最小極限安全因子。這樣做雖然比較準確但是非常耗時。而且如果葉片的鋪層不滿足其中一項要求，則需要重新修改鋪層，重新進行各工況的氣彈模擬計算，這將大大增加計算時間，而事實上有一些計算是可以不用做的。同時也不易用于葉片鋪層的優化設計中。

目前，工程上優化設計葉片鋪層所使用的方法主要依據設計者的經驗手動的調整鋪層、然后計算該葉片鋪層是否滿足以上的設計要求，不滿足再返回來手動的調整鋪層，再計算，再調整…，直到滿足設計要求為止。所以其設計時間長，而且往往可以繼續優化，得到性能更好的葉片。為了減少設計時間又能得到性能更好的葉片，也有一些學者將優化算法用于葉片結構的優化設計中，但他們在進行結構分析計算時，通常選取有限的幾個工況進行分析，由于極限載荷、最大葉尖偏移、最小安全因子不一定出現在選取的工況中，所以無法保證優化后的葉片運行在所有工況下都滿足設計要求。需要進行全工況的校核分析，如果不滿足設計要求還需要重新優化、重新校核…，直到滿足設計要求為止。雖然能在一定程度上減少設計時間同時獲得較好結果，但還需要對以上優化設計方法進一步的改進來更快更好的設計葉片，以使設計出的葉片具有更高的市場競爭力。

發明內容

針對目前使用的設計方法存在的設計時間長且不易用于優化設計的問題，本發明的目的在于提供一種水平軸風力機葉片鋪層的優化設計方法。

本發明為解決其技術問題所采取的技術方案是：

一種極限載荷條件下葉片鋪層的優化設計方法，其特征在于，所述優化設計方法包括如下步驟：

步驟S1、獲得風力機葉片的初始鋪層方案，對葉片的初始鋪層進行參數化建模；

步驟S2、根據參數化建模后的葉片鋪層，得到葉片展向各截面的鋪層信息；

步驟S3、根據葉片展向各截面的鋪層信息，采用經典層合板理論并假設周向應力為零，計算葉片的質量線密度分布和剛度分布；

步驟S4、根據葉片的質量線密度分布和剛度分布計算葉片的固有頻率；

步驟S5、根據葉片各截面的極限載荷分布及葉片的結構特性參數（主要是葉片截面的揮舞剛度、擺振剛度、扭轉剛度、抗拉剛度、質量線密度、質量中心和彈性中心參數）求取葉片的最小極限安全因子以及最大葉尖偏移；

步驟S6、判斷葉片的固有頻率、最小極限安全因子以及最大葉尖偏移是否滿足約束條件，如果滿足則沿葉片分段積分得到葉片的總質量；否則，直接令葉片質量為一很小的常數值，如-99999。

步驟S7、采用智能優化算法對葉片鋪層進行優化，改變葉片的鋪層，繼續步驟S2至步驟S6，直至得到最優的葉片鋪層方案。

優選地，步驟S3中，采用經典層合板理論并假設周向應力為零計算葉片各截面的剛度特性、質量線密度，得到葉片沿展向的質量線密度分布和剛度分布。