[發明專利]風力機葉片主梁鋪層優化設計方法

在審

• 申請號: 201610174654.5
• 申請日: 2016-03-25
• 公開（公告）號: CN105760629A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發明（設計）人: 鄭玉巧;趙榮珍;曹永勇;葉舟
• 申請（專利權）人: 蘭州理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 蘭州振華專利代理有限責任公司 62102
• 代理人: 董斌

技術領域

本發明涉及一種大型風力機葉片，特別是涉及一種風機葉片主梁鋪層厚度優化設計方法。

背景技術

全球氣候變暖問題日益嚴重，可再生清潔能源備受矚目。風能作為可利用的一種綠色能源，具有巨大的發展前景。風能的有效利用依賴于風力機，作為直接捕獲風能的裝置，風力機葉片是風力機的重要組成部分。風力機的趨勢是朝著大型化發展。葉片的增大雖然能夠增大風力機的功率同時也會帶來很多結構上的負擔，葉片重量增加，并且導致葉片受力增大。這些變化會帶來一系列影響，因此風力機葉片結構設計對于葉片設計十分重要。

對于大型（兆瓦級）風力機葉片，葉片的結構主要由主梁和蒙皮以及其他一些結構組成，葉片一般是殼結構，主梁部分是主要受力結構。兆瓦級風力機通常在復雜多變的環境下運行，葉片受到氣動力載荷、離心力載荷和重力載荷，葉片尺寸的增大會導致自身重量的增大，不單單使葉片成本增加同時也會拖累風力機運行效率。

因此，針對大型風力機葉片采用遺傳算法結合模塊化編程將葉片設計分成四個部分，實現對葉片鋪層厚度的優化設計，使葉片能在滿足剛度條件下實現葉片重量的降低。

通過葉片鋪層優化設計可以有效減輕葉片重量，進一步實現風力機大型化同時提高單個風力機的功率，并且葉片重量的減輕可以減輕其自身負擔這意味著葉片可以減少一定的疲勞載荷延長使用壽命。從長遠看，對葉片鋪層厚度優化設計能夠有效節約成本。

發明內容

本發明的目的是提供一種風力機葉片主梁鋪層優化設計方法。

本發明是風力機葉片主梁鋪層優化設計方法，其步驟為：

（1）葉片氣動外形參數確定，葉片主梁為盒型主梁，葉片剖面為主梁加蒙皮結構形式，葉片沿展向離散化得到n個橫截面，每個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，整個剖面的面積為A=A₁+A₂+A₃；

（2）根據步驟（1）中蒙皮面積計算剖面積矩公式如下：

、；

進一步的，剖面形心等于：，；

葉片剖面慣性矩等于、、，通過坐標轉化就能得到主軸坐標下慣性矩；

（3）計算葉片載荷及內力，正常工作狀態下，葉片受到氣動力、離心力和自身重力；

（4）根據步驟（2）中計算得到的剖面幾何特性參數可計算氣動力彎矩和扭矩，公式如下：

，；

；

式中，葉片氣動中心，為葉片剖面扭轉中心；

（5）葉片所受重力載荷的彎矩和扭矩可按如下公式計算：

，

；

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

（6）葉片所受離心力載荷的彎矩和扭矩計算公式如下：

，；

；

其中，、為葉片剖面處重心；

（7）步驟（3）、步驟（4）和步驟（5）中計算得到的彎矩扭矩是對應剖面坐標系，進一步的，把剖面內力轉換到剖面形心位置坐標系，包括第一主軸和第二主軸，葉片彎曲正應力計算公式為：

，；

其中，M為彎矩I為對應軸，即第一主軸的慣性矩，表示截面離散點偏離軸的最大值；

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

；

式中，為第個與第個腹板之間面板的寬度；為雙向布單層厚度；為雙向布單層鋪設的最少層數；

（9）主梁用單向布鋪層，單向布鋪層厚度可以按照強度準則計算，具體計算公式如下：

；

上式表明根據不同鋪層厚度可以得到不同計算剛度，當不同鋪層厚度代入上式計算得到的剛度能夠滿足最大應力需求時，葉片厚度則滿足要求；

（10）根據遺傳算法，把葉片鋪層厚度設為變量，按照上述步驟和順序，計算剖面幾何特性參數，剖面受力，葉片所受應力，最后根據強度準則得到滿足條件的鋪層厚度；

在迭代計算葉片鋪層厚度時，選取滿足強度要求并且使葉片質量最小的鋪層厚度作為輸出結果。