[发明专利]一种复合纤维风力机叶片的刚度优化方法

说明书

本发明公开了一种复合纤维风力机叶片的刚度优化方法，应用于复合纤维风力机叶片刚度优化设计领域。本发明针对复合纤维风力机叶片优化设计中存在的问题，本发明以柔顺度表征叶片刚度，结合实际叶片所受工况载荷，可对复合纤维风力机叶片的刚度性能进行提升，最终形成复合纤维风力机叶片刚度优化方法，以进一步提高复合纤维风力机叶片的性能，具有重要的理论价值和应用前景。

技术领域

本发明属于复合纤维风力机叶片优化设计技术领域，具体涉及一种复合纤维风力机叶片的刚度优化方法。

背景技术

作为捕获风能和能量转换的关键部件，叶片良好的设计、可靠的质量是保证机组正常稳定运行的决定因素，直接影响风电机组的性能和服役寿命。随着风轮向单机大功率、轻量化、高性能、低成本的方向发展，对叶片的性能也提出了更高的要求。在复合纤维风力机叶片铺层结构设计与优化中，刚度是一项重要的性能指标。为此，如何设计叶片，以保证叶片的结构刚度性能尽可能达到最优，具有科学意义和工程应用价值。

发明内容

本发明目的在于提供一种复合纤维风力机叶片的刚度优化方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题之一，如：现有技术中，在复合纤维风力机叶片铺层结构设计与优化中，刚度是一项重要的性能指标。为此，如何设计叶片，以保证叶片的结构刚度性能尽可能达到最优，具有科学意义和工程应用价值。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种复合纤维风力机叶片的刚度优化方法，依据离散材料优化方法和有限元分析方法，以复合纤维风力机叶片各区域的材料人工密度为设计变量、柔顺度为刚度表征指标，结合叶片非等厚度制造约束和实际生产过程中叶片的铺层方案，通过调整铺层方案，最终形成针对复合纤维风力机叶片的刚度优化方法。

进一步地，具体包括以下步骤：

S1、对复合纤维风力机叶片翼型上各离散点数据进行处理，得到各离散点空间坐标。采用三次B样条拟合方式绘制复合纤维风力机叶片各截面的空间样条曲线，分别以所有截面翼型的前缘点和后缘点绘制两条样条曲线，并将两条曲线作为引导线扫掠得到复合纤维风力机叶片三维模型。

S2、对复合纤维风力机叶片三维模型划分区域，将叶片各区域沿叶片伸展方向和环向进行编码。

S3、对复合纤维风力机叶片三维模型划分单元，单元采取四结点四边形线性壳体单元。赋予复合纤维风力机叶片三维模型材料属性，求解单元刚度矩阵。

S4、选取相应风场，对风场进行模拟，求解作用于叶片上的等效风载荷。

S5、建立复合纤维风力机叶片的有限元模型，通过单元刚度矩阵叠加，得到复合纤维风力机叶片各区域的区域刚度矩阵。

S6、对叶片进行区域刚度矩阵材料插值；建立复合纤维风力机叶片的刚度优化数学模型；分析计算复合纤维风力机叶片的位移；采用序列二次规划算法进行设计变量的求解和更新迭代，依据收敛准则判断结果的收敛性；得到优化后的数据文件。

S7、对优化后的数据文件进行处理，实现复合纤维风力机叶片的刚度优化。

进一步地，步骤S2所述的划分区域采用位置划分法，区域位置的选取参考实际生产中的铺层方案。

进一步地，步骤S6所述的区域刚度矩阵材料插值采用材料属性有理近似模型和刚度矩阵插值模型相结合的方法，具体表示为：

其中，K(x_i,j,m)代表叶片总刚度矩阵，x_i,j,m代表设计变量，i代表区域，j代表备选材料，m代表层，N^l代表叶片总层数，N^p代表叶片区域集合数，N^m代表叶片材料选择数，q代表惩罚因子，K_ijm代表区域中备选材料的刚度矩阵。