[发明专利]基于拓扑和尺寸优化的风电叶片模具钢架的设计方法

权利要求书

1.基于拓扑和尺寸优化的风电叶片模具钢架的设计方法，所述叶片模具包括玻璃钢壳体、截面板和模具支撑钢架，所述玻璃钢壳体设置在所述模具支撑钢架上方，所述截面板的下端与所述截面框架连接，所述截面板的上端与所述玻璃钢壳体连接；

所述模具支撑钢架包括由杆件制成的若干截面框架、第一顶部主梁、第二顶部主梁、第一底部主梁和第二底部主梁；若干截面框架间隔排列；所述截面框架的左侧上端与第一顶部主梁连接，所述截面框架的左侧下端与第一底部主梁连接，所述截面框架的右侧上端与第二顶部主梁连接，所述截面框架的右侧下端与第二底部主梁连接，第一顶部主梁和第一底部主梁之间、第二顶部主梁和第二底部主梁之间均设有若干倾斜的连接杆；

其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：

步骤a：模具支撑钢架载荷计算：

根据叶片长度将所述叶片模具进行分段，设置每段叶片模具上的截面框架的数量，并估算每段钢架上的玻璃钢壳体、截面板和叶片的重量；构建模具支撑钢架的支撑结构初始空间设计区域，并设定每个截面框架上的外载荷的质量；

步骤b：对模具支撑钢架的支撑结构初始空间设计区域采用壳单元来填充，采用截面框架的形式构建模具支撑钢架结构，对模具支撑钢架进行分段拓扑优化，拓扑优化后得到模具支撑钢架的抽象曲线；

步骤c：构建杆件的属性库并编号，所述杆件的属性库包括杆件的材料、截面形状和截面尺寸，从所述杆件的属性库中选择所述连接杆和所述截面框架中各杆件的材料、截面形状和截面尺寸；

步骤d)构建优化模型，使用遗传算法对连接杆和所述截面框架中各杆件的材料、截面形状和截面尺寸的截面尺寸进行优化，获得合适的截面尺寸。

2.根据权利要求1所述的基于拓扑和尺寸优化的风电叶片模具钢架的设计方法，其特征在于，所述截面框架包括截面上横撑、截面下横撑、三根截面竖撑、两根截面斜撑和两根立柱；

两所述立柱分别为第一立柱和第二立柱，所述第一立柱和第二立柱的下端分别与所述截面下横撑的两端连接，所述截面上横撑的两端分别与第一立柱和第二立柱的中部连接，所述截面竖撑的上下两端分别与所述截面上横撑和所述截面下横撑连接；两所述截面斜撑设置在所述截面上横撑的上方，且两所述截面斜撑的上端分别与两所述立柱连接，两所述截面斜撑的下端与所述截面上横撑连接；

每个截面框架的第一立柱上端均与第一顶部主梁连接，每个截面框架的第一立柱的下端均与第一底部主梁连接；每个截面框架的第二立柱上端均与第二顶部主梁连接，每个截面框架的第二立柱的下端均与第二底部主梁连接。

3.根据权利要求2所述的基于拓扑和尺寸优化的风电叶片模具钢架的设计方法，其特征在于，步骤c中，截面框架和连接杆考虑多材料、多截面形状及离散尺寸优化的问题的计算公式如下所示：

PProp＝[mat，sect，dimen]＝[Prop₁，Prop₂，...]

X(i)＝[P₁，P₂，P₃，...]

min：m

s.tmat∈[Q235，Q345]

sect∈[a，b]

dimen∈[10×8，....]

P_j∈Prop_j

S≤180MPa

D≤25mm

式中，Prop表示所有型材属性库的集合，Prop_j表示杆件j的材料、截面形状属性库，j表示连接杆、截面上横撑、截面下横撑、截面竖撑、截面斜撑和立柱；mat表示材料库，sect表示截面形状库，dimen表示截面尺寸库；X(i)表示一种设计方案；p_j表示杆件j的属性，该属性包括材料、截面形状和截面尺寸变量的组合变量，用以确定杆件j的状态，D表示整个结构的变形，S表示整个结构的最大组合应力。

4.根据权利要求1所述的基于拓扑和尺寸优化的风电叶片模具钢架的设计方法，其特征在于，所述步骤a中，将模具支撑钢架分成四段，分别为第一段钢架、第二段钢架、第三段钢架和第四段钢架，第一段钢架上的截面框架个数为10，第二段钢架上的截面框架个数为8，第三段钢架上的截面框架为12，第四段钢架上的截面框架个数为12。