[發明專利]基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風機葉片優化設計方法

有效

• 申請號: 201910853643.3
• 申請日: 2019-09-10
• 公開（公告）號: CN110781618B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 胡偉飛;王葉青;劉振宇;程錦;譚建榮
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14;G06F119/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

1.一種基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風機復合葉片優化設計方法，其特征在于，該方法考慮曲折閃電打擊帶來的介質擊穿現象以及非比例多軸復雜應力狀況下的疲勞損傷，具體包括如下步驟：

S1：將風力發電機復合材料葉片劃分為葉片根部、葉片前緣、抗剪腹板前區域、翼梁帽、抗剪腹板后區域、葉片后緣、葉尖七個部分，并將每個部分劃分為多個嵌板；確定設計變量個數，每個設計變量對應若干個嵌板；

S2：建立曲折閃電步進導閃模型；

S2.1：在球坐標系中，根據方位角θ、相鄰兩線段的夾角φ、每段線段的長度ρ_C三個參數創建新線段，并計算曲折閃電步進導閃尖端與風機葉片尖端的距離；然后根據峰值電流I_peak，計算閃電打擊距離其中，θ的取值遵循0～360°的均勻分布，φ的取值遵循平均值為180°的高斯分布，ρ_C的取值遵循80m～100m的均勻分布，I_peak的取值遵循對數正態分布；

S2.2：當曲折閃電步進導閃尖端與風機葉片尖端的距離小于Ls時，認為閃電步進導閃有效，即認為峰值電流I_peak有效，進入步驟S3，若無效，則進入步驟S2.3；

S2.3：若曲折閃電步進導閃尖端距離地面的高度低于風機輪轂中心高度，則重復S2，創建新的曲折閃電步進導閃模型，否則，重復S2.1，在當前曲折閃電步進導閃模型中創建新線段；

S3：獲得風力發電機葉片周圍電場情況，根據E＝-▽V計算沿著風機葉片的電場強度；

S4：判斷曲折閃電步進導閃模型建立的個數，當不小于1000個時，計算沿著風機葉片的平均電場強度；若小于1000個時，則返回S2；

S5：通過下述分別計算介質擊穿強度E_b和閃電安全系數L(x)

E_b＝5.3·10⁴/d+8.0·10⁶

其中，d為層厚；

S6：通過下式計算非比例多軸應力狀況的預期疲勞壽命T(x)：

其中，t為時間，為經過時間t的預期疲勞損傷D_t(x|L)為給定載荷為L的情況下，經過時間t，積累所有半周期疲勞損傷得到總疲勞損傷，P(L)為復雜載荷L發生的概率密度，為應力σ₁₁、σ₂₂、σ₁₂所對應的應力循環次數，為應力幅，R為應力比，s_ij、k_ij為將實驗數據進行最小二乘擬合得到的應力-壽命曲線確定的兩個疲勞強度系數；

S7：建立優化問題的約束條件：

(1)設計變量的取值范圍x^L≤x≤x^U,其中x代表控制著復合材料層厚的NDV維設計變量向量；NDV為設計變量的數量；x^L與x^U為設計變量向量的下界與上界；

(2)為防止介質擊穿現象設定的約束條件G_i(x)＝1-L_i(x)≤0,i＝1,2,...,NL，NL為閃電打擊約束數量；

(3)為保證葉片疲勞壽命設定的約束條件G_j(x)＝T_tar-T_j(x)≤0,j＝1,2,...,NF，NF為疲勞壽命約束數量；

其中，T_tar為目標疲勞壽命；

S8：建立使復合材料的總成本最小化的目標函數C(x)：

其中，設計變量向量x＝[x₁,x₂,...,x_m]，x_m表示復合材料第m層的厚度，單位為mm，為設計變量的初始值，為在x_i下的復合材料初始質量，c_i為復合材料單位質量下的材料成本，C^o為初始設計變量下的復合材料的總成本；

S9：在matlab中運用求解器對問題進行求解，便可得到設計變量相應的最優解。

2.根據權利要求1所述的基于曲折閃電打擊與疲勞損傷的風機復合葉片優化設計方法，其特征在于，所述S3中,通過COMSOL軟件運用有限元分析法獲得風力發電機葉片周圍電場情況。