[发明专利]一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法

说明书

本发明涉及机械设计技术领域，且公开了一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，包括叶片，所述复合材料叶片包括叶片壳、两个梁盖和两个剪切腹板，两个所述梁盖相背的一侧分别与叶片壳的内顶壁和内底壁固定连接，两个所述剪切腹板的顶部和底部分别与两个梁盖相对的一侧固定连接。该复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，通过建立风力机叶片几何外形、结构及复合材料铺层布局的参数化模型，提高了叶片初步设计的效率，其次，通过建立学科性能分析数据集，构造近似模型，提高了计算效率，最后，通过充分利用叶片气动性能与结构特性的相互耦合效应设计出具有结构重量轻、能量转换效率高的风力机叶片。

技术领域

本发明涉及机械设计技术领域，具体为一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法。

背景技术

风能是一种清洁、可再生能源，正受到世界各国的重视。随着风力机理论的创新、新材料的应用及生产工艺的提高，风力发电技术的发展日新月异。风力机叶片设计直接影响到风能的转换效率和发电量，对于风电商业利润的产生具有极其重要的意义。叶片翼型及气动外形设计将影响风力机功率特性和气动载荷特性，叶片的刚度特性取决于复合材料结构设计，气动弹性耦合则是揭示了叶片气动性能与结构刚度特性的内在机制。

目前对风力机叶片翼型及气动外形、叶片结构布局的研究，多是采用互相独立的串行设计方法，在研究叶片气动力性能和结构刚度特性等单一学科要求的基础上进行改进与优化，获得性能优良的叶片。然而，叶片气动外形设计并没有考虑内部结构的刚度特性，而复合材料结构布局设计在优化阶段也很少考虑气动载荷的影响和耦合关系。主要原因在于缺乏对风力机叶片翼型、气动外形及复合材料结构布局进行系统的研究，没有建立合理的叶片形状和结构布局的参数化数学模型。因此，需要根据风力机功率输出分布特性，充分考虑气动、结构等多学科的耦合机理，设计出适应不同叶片展向站位处的各种高效翼型。将翼型数据、叶片外形参数及内部复合材料结构铺层参数汇集到叶片形状参数化数学模型中，充分利用叶片气动弹性的耦合效应设计出重量轻、捕风效率高的新型风力机叶片。从而建立风力机叶片几何外形参数和内部复合材料铺层结构布局设计的新方法。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，通过全面研究叶片几何外形和结构布局，建立合理的参数化数学模型，基于处理复杂耦合系统的多学科设计优化方法、叶素动量理论、欧拉-伯努利复合材料梁理论，解决了上述背景技术中所提出的问题。

(二)技术方案

本发明提供如下技术方案：一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，包括叶片，所述复合材料叶片包括叶片壳、两个梁盖和两个剪切腹板，两个所述梁盖相背的一侧分别与叶片壳的内顶壁和内底壁固定连接，两个所述剪切腹板的顶部和底部分别与两个梁盖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。

优选的，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。

优选的，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。