复合纤维风机叶片铺层结构优化设计及应用

• 作 者: 王慧敏
• 机 构: 内蒙古工业大学
• 出 处: 内蒙古工业大学
• 发表日期: 2014年01期
• 关键词: 铺层参数 结构优化 数学模型 复合纤维 风机叶片

作为捕获风能的关键部件，风力机叶片的运动状况和受力情况非常复杂，其良好的结构和性能是保证风力发电机组正常稳定运行的决定因素。复合纤维风机叶片为典型的非回转体、非等厚度铺放，铺层结构复杂，其性能随铺层角度、铺层顺序和铺层厚度的不同而变化。为此，对风机叶片复合纤维铺层结构进行优化设计研究，可为风机叶片设计制造提供一定的理论基础和技术支持。在阐述复合纤维层合板结构优化设计国内外研究现状的基础上，根据复合纤维层合板的基础知识、结构优化理论和方法，制定了适合于风机叶片的结构优化方案。铺层参数对叶片性能存在耦合影响，耦合机理、耦合关系异常复杂，目前的技术方法和手段尚无法实现。为此，论文从工程角度出发，采用理论分析、有限元分析与结构优化相结合的方法，通过建立数学优化模型，运用分级优化的策略，在Optistruct中对铺层参数进行单因素优化，探求风机叶片的最优铺层方案。第一级对铺层角度优化，以层合板的应力分析为依据，建立了铺层角度与失效准则和叶片强度关系的数学模型，以结构的最大应力值最小为优化目标，铺层角度为设计变量，采用局部逼近法对铺层角度进行优化，得到满足复合纤维风机叶片性能要求的铺层角度为0°、±45°和90°。第二级对铺层厚度优化，以层合板各刚度矩阵为依据，建立叶片铺层厚度与结构刚度和质量关系的数学模型，以叶片质量和柔度最小作为优化目标，对结构铺层厚度进行优化，得到满足叶片刚度和质量要求的叶片整体基本铺层结构。第三级对铺层次序优化，确保叶片铺层次序满足制造要求，建立铺层顺序与制造约束的数学模型，以铺层规则为约束，对基本铺层结构进行铺层次序优化，得到满足叶片结构和制造要求的铺层方案。最后，优化原始铺层方案，并对二者进行结构分析和对比，结果表明优化方案的整体应力和应变均有较大程度的降低，验证了优化方案和方法的正确性和有效性。