[發(fā)明專利]風(fēng)力機(jī)葉片主梁鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610174654.5
• 申請(qǐng)日: 2016-03-25
• 公開（公告）號(hào): CN105760629A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭玉巧;趙榮珍;曹永勇;葉舟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘭州理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 蘭州振華專利代理有限責(zé)任公司 62102
• 代理人: 董斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種大型風(fēng)力機(jī)葉片，特別是涉及一種風(fēng)機(jī)葉片主梁鋪層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

全球氣候變暖問題日益嚴(yán)重，可再生清潔能源備受矚目。風(fēng)能作為可利用的一種綠色能源，具有巨大的發(fā)展前景。風(fēng)能的有效利用依賴于風(fēng)力機(jī)，作為直接捕獲風(fēng)能的裝置，風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力機(jī)的重要組成部分。風(fēng)力機(jī)的趨勢(shì)是朝著大型化發(fā)展。葉片的增大雖然能夠增大風(fēng)力機(jī)的功率同時(shí)也會(huì)帶來很多結(jié)構(gòu)上的負(fù)擔(dān)，葉片重量增加，并且導(dǎo)致葉片受力增大。這些變化會(huì)帶來一系列影響，因此風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于葉片設(shè)計(jì)十分重要。

對(duì)于大型（兆瓦級(jí)）風(fēng)力機(jī)葉片，葉片的結(jié)構(gòu)主要由主梁和蒙皮以及其他一些結(jié)構(gòu)組成，葉片一般是殼結(jié)構(gòu)，主梁部分是主要受力結(jié)構(gòu)。兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)通常在復(fù)雜多變的環(huán)境下運(yùn)行，葉片受到氣動(dòng)力載荷、離心力載荷和重力載荷，葉片尺寸的增大會(huì)導(dǎo)致自身重量的增大，不單單使葉片成本增加同時(shí)也會(huì)拖累風(fēng)力機(jī)運(yùn)行效率。

因此，針對(duì)大型風(fēng)力機(jī)葉片采用遺傳算法結(jié)合模塊化編程將葉片設(shè)計(jì)分成四個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片鋪層厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使葉片能在滿足剛度條件下實(shí)現(xiàn)葉片重量的降低。

通過葉片鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效減輕葉片重量，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)大型化同時(shí)提高單個(gè)風(fēng)力機(jī)的功率，并且葉片重量的減輕可以減輕其自身負(fù)擔(dān)這意味著葉片可以減少一定的疲勞載荷延長(zhǎng)使用壽命。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，對(duì)葉片鋪層厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效節(jié)約成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)力機(jī)葉片主梁鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明是風(fēng)力機(jī)葉片主梁鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其步驟為：

（1）葉片氣動(dòng)外形參數(shù)確定，葉片主梁為盒型主梁，葉片剖面為主梁加蒙皮結(jié)構(gòu)形式，葉片沿展向離散化得到n個(gè)橫截面，每個(gè)剖面面積分為三部分蒙皮面積A₁、主梁帽面積A₂和抗剪腹板面積A₃，整個(gè)剖面的面積為A=A₁+A₂+A₃；

（2）根據(jù)步驟（1）中蒙皮面積計(jì)算剖面積矩公式如下：

、；

進(jìn)一步的，剖面形心等于：，；

葉片剖面慣性矩等于、、，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化就能得到主軸坐標(biāo)下慣性矩；

（3）計(jì)算葉片載荷及內(nèi)力，正常工作狀態(tài)下，葉片受到氣動(dòng)力、離心力和自身重力；

（4）根據(jù)步驟（2）中計(jì)算得到的剖面幾何特性參數(shù)可計(jì)算氣動(dòng)力彎矩和扭矩，公式如下：

，；

；

式中，葉片氣動(dòng)中心，為葉片剖面扭轉(zhuǎn)中心；

（5）葉片所受重力載荷的彎矩和扭矩可按如下公式計(jì)算：

，

；

其中、分別為葉片的折算密度和剖面面積，為重力加速度，為葉片旋轉(zhuǎn)方位角，為葉片重心坐標(biāo)；

（6）葉片所受離心力載荷的彎矩和扭矩計(jì)算公式如下：

，；

；

其中，、為葉片剖面處重心；

（7）步驟（3）、步驟（4）和步驟（5）中計(jì)算得到的彎矩扭矩是對(duì)應(yīng)剖面坐標(biāo)系，進(jìn)一步的，把剖面內(nèi)力轉(zhuǎn)換到剖面形心位置坐標(biāo)系，包括第一主軸和第二主軸，葉片彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式為：

，；

其中，M為彎矩I為對(duì)應(yīng)軸，即第一主軸的慣性矩，表示截面離散點(diǎn)偏離軸的最大值；

（8）每個(gè)葉片截面分為三部分：蒙皮、主梁帽和抗剪腹板；采用等代設(shè)計(jì)計(jì)算葉片鋪層厚度，蒙皮采用雙向布鋪層，蒙皮雙向布的鋪設(shè)提供足夠的剪切強(qiáng)度，計(jì)算公式為：

；

式中，為第個(gè)與第個(gè)腹板之間面板的寬度；為雙向布單層厚度；為雙向布單層鋪設(shè)的最少層數(shù)；

（9）主梁用單向布鋪層，單向布鋪層厚度可以按照強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算，具體計(jì)算公式如下：

；

上式表明根據(jù)不同鋪層厚度可以得到不同計(jì)算剛度，當(dāng)不同鋪層厚度代入上式計(jì)算得到的剛度能夠滿足最大應(yīng)力需求時(shí)，葉片厚度則滿足要求；

（10）根據(jù)遺傳算法，把葉片鋪層厚度設(shè)為變量，按照上述步驟和順序，計(jì)算剖面幾何特性參數(shù)，剖面受力，葉片所受應(yīng)力，最后根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則得到滿足條件的鋪層厚度；

在迭代計(jì)算葉片鋪層厚度時(shí)，選取滿足強(qiáng)度要求并且使葉片質(zhì)量最小的鋪層厚度作為輸出結(jié)果。