[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

说明书

本发明公开了基于拓扑和尺寸优化的风电叶片模具钢架的设计方法，涉及海上风电模具钢架支撑结构设计领域，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；步骤b：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。该方法能够节省模具支撑钢架的设计时间，节约成本。

技术领域

本发明涉及海上风电模具钢架支撑结构设计领域，具体涉及基于拓扑和尺寸优化的风电叶片模具钢架的设计方法。

背景技术

随着风电技术的进步，风电叶片的长度变得越来越长，然而风电叶片模具的生产成本呈现不断下降的趋势。现阶段风电叶片模具主要分成两个部分：玻璃钢壳体和模具支撑钢架。

当前国内风电叶片模具支撑钢架的设计一般采用经验设计的方法，一般根据不同的叶片选用相同的结构支撑形式，利用二次开发技术根据模具结构的外形绘制出模具钢架抽象曲线，然后通过有限分析计算模具钢架的强度和变形量来验证是否满足要求。在此设计流程中，模具厂家只能给出满足支撑结构强度和刚度的设计方案，而这种方案并不是整体支撑结构最轻的全局最优设计方案。故需要一种方法提高设计效率，得出整体支撑结构最轻的全局最优设计方案，降低生产成本。

当前叶片模具钢架是通过编写NX二次开发程序自动生成的，根据叶片外形3D模型、截面框架位置文件设置好的钢架底面高度，自动生成钢架及钢架抽象曲线，然后根据设计人员的经验，对钢架抽象曲线赋予梁截面，最后通过有限元分析钢架是否满足强度和刚度要求，若不满足，分析有限分析结果，对梁截面进行调整，直至满足设计要求。但此方法效率比较低下，并且特别依靠设计人员的经验。所设计出来的钢架支撑结构能够满足设计要求，但也不一定是近似最优方案，不能有效的控制生产成本。

这主要是因为缺少系统的模具钢架设计方法。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术中的不足，提供基于拓扑和尺寸优化的风电叶片模具钢架的设计方法，该方法基于拓扑优化和截面尺寸优化，能够节省模具支撑钢架的设计时间，节约成本。

技术方案：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；

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；