[发明专利]基于曲折闪电打击与疲劳损伤的风机叶片优化设计方法

权利要求书

1.一种基于曲折闪电打击与疲劳损伤的风机复合叶片优化设计方法，其特征在于，该方法考虑曲折闪电打击带来的介质击穿现象以及非比例多轴复杂应力状况下的疲劳损伤，具体包括如下步骤：

S1：将风力发电机复合材料叶片划分为叶片根部、叶片前缘、抗剪腹板前区域、翼梁帽、抗剪腹板后区域、叶片后缘、叶尖七个部分，并将每个部分划分为多个嵌板；确定设计变量个数，每个设计变量对应若干个嵌板；

S2：建立曲折闪电步进导闪模型；

S2.1：在球坐标系中，根据方位角θ、相邻两线段的夹角φ、每段线段的长度ρ_C三个参数创建新线段，并计算曲折闪电步进导闪尖端与风机叶片尖端的距离；然后根据峰值电流I_peak，计算闪电打击距离其中，θ的取值遵循0～360°的均匀分布，φ的取值遵循平均值为180°的高斯分布，ρ_C的取值遵循80m～100m的均匀分布，I_peak的取值遵循对数正态分布；

S2.2：当曲折闪电步进导闪尖端与风机叶片尖端的距离小于Ls时，认为闪电步进导闪有效，即认为峰值电流I_peak有效，进入步骤S3，若无效，则进入步骤S2.3；

S2.3：若曲折闪电步进导闪尖端距离地面的高度低于风机轮毂中心高度，则重复S2，创建新的曲折闪电步进导闪模型，否则，重复S2.1，在当前曲折闪电步进导闪模型中创建新线段；

S3：获得风力发电机叶片周围电场情况，根据E＝-▽V计算沿着风机叶片的电场强度；

S4：判断曲折闪电步进导闪模型建立的个数，当不小于1000个时，计算沿着风机叶片的平均电场强度；若小于1000个时，则返回S2；

S5：通过下述分别计算介质击穿强度E_b和闪电安全系数L(x)

E_b＝5.3·10⁴/d+8.0·10⁶

其中，d为层厚；

S6：通过下式计算非比例多轴应力状况的预期疲劳寿命T(x)：

其中，t为时间，为经过时间t的预期疲劳损伤D_t(x|L)为给定载荷为L的情况下，经过时间t，积累所有半周期疲劳损伤得到总疲劳损伤，P(L)为复杂载荷L发生的概率密度，为应力σ₁₁、σ₂₂、σ₁₂所对应的应力循环次数，为应力幅，R为应力比，s_ij、k_ij为将实验数据进行最小二乘拟合得到的应力-寿命曲线确定的两个疲劳强度系数；

S7：建立优化问题的约束条件：

(1)设计变量的取值范围x^L≤x≤x^U,其中x代表控制着复合材料层厚的NDV维设计变量向量；NDV为设计变量的数量；x^L与x^U为设计变量向量的下界与上界；

(2)为防止介质击穿现象设定的约束条件G_i(x)＝1-L_i(x)≤0,i＝1,2,...,NL，NL为闪电打击约束数量；

(3)为保证叶片疲劳寿命设定的约束条件G_j(x)＝T_tar-T_j(x)≤0,j＝1,2,...,NF，NF为疲劳寿命约束数量；

其中，T_tar为目标疲劳寿命；

S8：建立使复合材料的总成本最小化的目标函数C(x)：

其中，设计变量向量x＝[x₁,x₂,...,x_m]，x_m表示复合材料第m层的厚度，单位为mm，为设计变量的初始值，为在x_i下的复合材料初始质量，c_i为复合材料单位质量下的材料成本，C^o为初始设计变量下的复合材料的总成本；

S9：在matlab中运用求解器对问题进行求解，便可得到设计变量相应的最优解。

2.根据权利要求1所述的基于曲折闪电打击与疲劳损伤的风机复合叶片优化设计方法，其特征在于，所述S3中,通过COMSOL软件运用有限元分析法获得风力发电机叶片周围电场情况。