[发明专利]一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法

权利要求书

1.一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，包括叶片，其特征在于，所述复合材料叶片包括叶片壳(1)、两个梁盖(2)和两个剪切腹板(3)，两个所述梁盖(2)相背的一侧分别与叶片壳(1)的内顶壁和内底壁固定连接，两个所述剪切腹板(3)的顶部和底部分别与两个梁盖(2)相对的一侧固定连接；

所述设计流程的具体步骤如下：

S1、确定风力机叶片设计流程，给定优化设计目标，明确气动与结构子学科的耦合关系；

S2、建立叶片几何外形参数化模型；

S3、建立叶片复合材料结构布局参数化模型；

S4、进行叶片气动弹性稳定性分析；

S5、构建近似模型，完成多学科设计优化。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括：根据风力机设计输出功率的要求，选定风力机叶片数目、风轮直径、尖速比等总体参数，对描述叶片几何外形、内部结构布局形式及尺寸、复合材料铺层方案的设计变量进行分类和设置。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

1)使用Hicks-Henne函数、非均匀有理B样条曲线(NURBS)、类型形状函数法(CST)建立翼型形状的参数化数学模型；

2)根据步骤1)生成的翼型形状，计算叶素气动特性参数；基于叶素动量理论，结合选定的风力机叶片数目、风轮直径、尖速比等总体参数，按照风能转换效率最大化的要求，确定弦长、扭角沿叶片展向的分布；建立以叶片各截面弦长和扭角展向分布以及翼型形状参数为设计参数的叶片几何外形参数化模型。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

1)叶片结构布局参数包括：叶片壳分段、剪切腹板、梁盖的数量，它们的尺寸以及位置关系；

2)叶片结构部件的复合材料铺层布局参数包括：层板的厚度、纤维方向和数量，以及层板的数量和厚度沿桨叶展向长度变化。

5.根据权利要求1所述的一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，其特征在于，所述步骤S4包括：完成气动与结构子学科分析所需的载荷数据差值传递，根据翼型的升力系数、气动中心以及气流动压与附加扭角的相互影响关系，计算叶片扭转发散的临界条件，以及翼型升力与弹性扭角的耦合关系。

6.根据权利要求1所述的一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，其特征在于，所述步骤S5包括：基于气动、结构和气动弹性特性数据集管理，建立代模型建模，试验设计方法采用均匀设计、拉丁方设计等，建模方法包括二阶响应面、偏最小二乘方法和支持向量基神经网络，使用基于群体操作的进化算法，针对连续或非连续设计变量的优化问题，进行系统级优化，完成单目标或者多目标优化设计。

7.根据权利要求1所述的一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，其特征在于，所述步骤S1中气动与结构子学科的耦合关系由叶片几何外形与结构部件尺寸的一致性约束、叶片气动载荷与结构强度刚度和稳定性的约束关系来体现。