CN110298097A - 一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，包括以下步骤：(1)构建叶片几何模型；(2)建立铺层初始模型，并在初始模型上分别建立梁冒二次层铺模型、剪切腹板二次层铺模型、壳体二次层铺模型；(3)进行IFF(纤维间失效)分析；(4)计算铺层面积；(5)总结叶片IFF系数与铺层关系式，叶片铺层与重量关系式；(6)进行纤维布铺层优化设计；(7)以叶片屈曲安全系数为设计约束、质量最小为设计目标进行叶片芯材优化设计；(8)按照叶片设计规范、制造工艺等技术要求进行铺层设计、有限元校核、图纸化。本发明全域范围内搜索最优解使叶片铺层最优化，降低了叶片质量，避免了繁复的设计、校核过程，提高了研发效率。

Description

一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法
技术领域
本发明涉及风机叶片设计领域，尤其涉及一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法。
背景技术
作为捕获风能的关键部件，风机叶片是一个大型复合材料结构，复合纤维铺层结构复杂，其性能随不同的铺层角度、铺层顺序和铺层厚度而变化的，使得叶片设计变得极为复杂和困难，采用传统建模方法，即使一个很有经验的叶片设计工程师，也要通过反复设计铺层、建立大量有限元模型进行对比计算，得到较优的设计方案，但想要得到最优解，几乎是一种不可能完成的任务。因此，研究设计一种能够精确、快速得到叶片优化铺层的方法具有重要意义。
发明内容
基于上述目的，本发明提供了一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，包括以下步骤：
(1)使用三维软件或有限元软件构建叶片几何模型；
(2)使用叶片几何模型建立铺层初始模型，并在初始模型上分别建立梁冒二次层铺模型、剪切腹板二次层铺模型、壳体二次层铺模型；
(3)对步骤(2)的模型进行IFF(纤维间失效)分析；
(4)计算铺层面积并提取步骤(3)结果中的IFF系数，保存数据；
(5)分析步骤(4)的数据，总结叶片IFF系数与铺层关系式，叶片铺层与重量关系式；
(6)以IFF安全系数为设计约束、最小质量为设计目标，使用多学科优化方法分析步骤(5)的关系式，进行纤维布铺层优化设计；
(7)在步骤(6)优化的纤维布中间层上铺芯材，以叶片屈曲安全系数为设计约束、质量最小为设计目标进行叶片芯材优化设计；
(8)在步骤(7)优化铺层的基础上，按照叶片设计规范、制造工艺等技术要求进行铺层设计、有限元校核、图纸化。
其中，所述的叶片几何模型由三维软件或有限元软件创建，分为梁冒、剪切腹板和壳体。
其中，初始模型为仅对模型使用基础铺层，基础铺层为：壳体铺内外蒙皮、主梁铺一层单轴纤维布、剪切腹板两侧铺两层双轴纤维布。
其中，所述的二次层铺模型为在初始部件铺层上增加铺层创建的模型，梁冒二次层铺模型在初始梁冒上铺单轴布，剪切腹板二次层铺模型在初始剪切腹板两侧各铺双轴布、壳体二次层铺模型在初始内外蒙皮间铺双轴布。
其中，所述的IFF分析使用叶片各切面极限载荷进行分析。
其中，所述的计算叶片铺层面积方法为：沿展向将叶片分为0.5m的若干段，求每段内所有单元面积之和作为该段普层面积。
其中，所述的提取IFF系数方法为：沿展向将叶片分为0.5m的若干段，遍历各分析载荷步，分别各部件在分段上的最大IFF系数。
其中，所述的叶片IFF系数与铺层关系式、叶片铺层与重量关系总结方法为：将各二次层铺模型的IFF系数减去初始模型在相应位置的IFF系数，并对部件铺层数求平局，求各部件增加一层铺层对叶片IFF系数影响数值；以各段各部件增加的铺层数为变量，以IFF系数影响值为系数，按照线性关系将IFF系数与叶片铺层数关系表示为；
式中，p—IFF系数，为初始模型或二次铺层模型计算结果，i表示叶片分段位置，j表示部件名称，指b、w、s中的一个；b、w、s表示梁冒、剪切腹板、壳体；0表示表示初始模型，1表示二次铺层模型；j-*表示*二次铺层模型上的j部件。例如：表示梁冒二次铺层模型上j部件在i分段的IFF系数；
n—铺层数，表示梁冒二次铺层模型在梁冒上增加的铺层数，ni,*表示叶片*部件在i分段的铺层层数变量。
相应地，以各段各部件增加的铺层数为变量，以各段铺层面积为系数，按照线性关系将叶片质量与铺层数关系表示为：
mi(ni,b,ni,w,ni,s)＝ni,bAi,bρi,b+ni,wAi,wρi,w+ni,sAi,sρi,s
式中，n—铺层数，ni,*表示叶片*部件在i分段的铺层层数变量；
A—铺层面积，Ai,*表示叶片*部件在i分段的铺层面积；
ρ—铺层面密度，ρi,*表示叶片*部件在i分段的铺层材料面密度；
其中，所述的纤维布铺层优化设计为分别以叶片部件铺层数为设计变量、IFF系数为设计约束、最小叶片质量为设计目标，在多学科优化软件中对IFF系数与叶片铺层数关系式、叶片质量与铺层数关系式进行数值试验设计、试验设计曲面拟合、拟合曲面评价、优化分析及结果校核，求解全局叶片最优铺层。
其中，所述的芯材优化方法为在优化后的纤维层中间铺芯材，以各段芯材厚度为设计变量、屈曲系数为设计约束、最小重量为设计变量，在多学科软件中进行屈曲分析的试验设计、试验设计曲面拟合、拟合曲面评价、优化分析及结果校核，求解全局芯材最优厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，全域范围内搜索最优解是叶片铺层最优化，降低了叶片质量，避免了繁复的设计、校核过程，提高了研发效率。
附图说明
图1所示为本发明的风机叶片铺层设计流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本申请实施例包括如下步骤：
步骤一，在三维软件或有限元软件中创建叶片几何模型，分为梁冒、剪切腹板和壳体。
步骤二，在有限元软件中创建有限元分析初始模型，初始模型仅采用基础铺层，壳体铺内外蒙皮、主梁铺一层单轴纤维布、剪切腹板两侧铺两层双轴纤维布。
步骤三，在有限元软件中修改初始模型的部件铺层属性基础，在初始梁冒上铺单轴布来创建梁冒二次层铺模型，在初始剪切腹板两侧各铺双轴布来创建剪切腹板二次层铺模型、在初始内外蒙皮间铺双轴布来创建壳体二次层铺模型。
步骤四，采用叶片各切面极限载荷对所建立的模型进行IFF分析。
步骤五，在有限元软件中，沿展向将叶片分为0.5m的若干段，求每段所有单元面积之和作为该段铺层面积，遍历各分析载荷步，分别各部件在分段上的最大IFF系数，并保存数据文件。
其中，叶片各分段长度可以视实际情况设置，并不限于0.5m。
步骤六，对保存的数据进行分析，将各二次层铺模型的IFF系数减去初始模型在相应位置的IFF系数，并对部件铺层数平均，求部件增加一层纤维布对叶片IFF系数影响；以各段各部件增加的铺层数为变量，以IFF系数影响值为系数，按照线性关系将IFF系数与叶片铺层数关系表示为：
相应地，以各段各部件增加的铺层数为变量，以各段铺层面积为系数，按照线性关系将叶片质量与铺层数关系表示为：
mi(ni,b,ni,w,ni,s)＝ni,bAi,bρi,b+ni,wAi,wρi,w+ni,sAi,sρi,s
步骤七，采用多学科优化软件进行纤维布优化分析，以叶片部件铺层数为设计变量、IFF系数为设计约束、最小叶片质量为设计目标，在多学科优化软件中对叶片IFF系数与铺层数关系式、叶片质量与铺层数关系式进行数值试验设计、试验设计曲面拟合、拟合曲面评价、优化分析及结果校核，求解全局叶片最优铺层。
步骤八，采用多学科优化软件对叶片芯材进行二次优化，在优化后的纤维层中间铺芯材，以各段芯材厚度为设计变量、屈曲系数为设计约束、最小重量为设计变量，在多学科软件中进行屈曲分析的试验设计、试验设计曲面拟合、拟合曲面评价、优化分析及结果校核，求解全局芯材最优厚度。
步骤九，参考优化结果，按照叶片设计规范、制造工艺等技术要求进行铺层设计优化、有限元校核、图纸化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用三维软件或有限元软件构建叶片几何模型；
(2)使用叶片几何模型建立铺层初始模型，并在初始模型上分别建立梁冒二次层铺模型、剪切腹板二次层铺模型、壳体二次层铺模型；
(3)对步骤(2)的模型进行IFF(纤维间失效)分析；
(4)计算铺层面积并提取步骤(3)结果中的IFF系数，保存数据；
(5)分析步骤(4)的数据，总结叶片IFF系数与铺层关系式，叶片铺层与重量关系式；
(6)以IFF安全系数为设计约束、最小质量为设计目标，使用多学科优化方法分析步骤(5)的关系式，进行纤维布铺层优化设计；
(7)在步骤(6)优化的纤维布中间层上铺芯材，以叶片屈曲安全系数为设计约束、质量最小为设计目标进行叶片芯材优化设计；
(8)在步骤(7)优化铺层的基础上，按照叶片设计规范、制造工艺等技术要求进行铺层设计、有限元校核、图纸化。
2.如权利要求1所述的一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，其特征在于，所述的叶片几何模型由三维软件或有限元软件创建，分为梁冒、剪切腹板和壳体。
3.如权利要求1所述的一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，其特征在于，初始模型为仅对模型使用基础铺层，基础铺层为：壳体铺内外蒙皮、主梁铺一层单轴纤维布、剪切腹板两侧铺两层双轴纤维布。
4.如权利要求1所述的一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，其特征在于，所述的二次层铺模型为在初始部件铺层上增加铺层创建的模型，梁冒二次层铺模型在初始梁冒上铺单轴布，剪切腹板二次层铺模型在初始剪切腹板两侧各铺双轴布、壳体二次层铺模型在初始内外蒙皮间铺双轴布。
5.如权利要求1所述的一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，其特征在于，所述的IFF分析使用叶片各切面极限载荷进行分析。
6.如权利要求1所述的一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，其特征在于，所述的计算叶片铺层面积方法为：沿展向将叶片分为0.5m的若干段，求每段内所有单元面积之和作为该段普层面积。
7.如权利要求1所述的一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，其特征在于，所述的提取IFF系数方法为：沿展向将叶片分为0.5m的若干段，遍历各分析载荷步，分别各部件在分段上的最大IFF系数。
8.如权利要求1所述的一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，其特征在于，所述的叶片铺层与IFF系数关系式、叶片铺层与重量关系总结方法为：将各二次层铺模型的IFF系数减去初始模型在相应位置的IFF系数，并对部件铺层数求平局，求各部件增加一层铺层对叶片IFF系数影响数值；以各段各部件增加的铺层数为变量，以IFF系数影响值为系数，按照线性关系总结IFF系数与叶片铺成数关系式；相应地，以各段各部件增加的铺层数为变量，以各段铺层面积为系数，按照线性关系总结叶片重量与铺成数关系式。
9.如权利要求1所述的一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，其特征在于，所述的纤维布铺层优化设计为分别以叶片部件铺层数为设计变量、IFF系数为设计约束、最小叶片质量为设计目标，在多学科优化软件中对IFF系数与叶片铺层数关系式、叶片质量与铺层数关系式进行数值试验设计、试验设计曲面拟合、拟合曲面评价、优化分析及结果校核，求解全局叶片最优铺层。
10.如权利要求1所述的一种风力发电机组风轮叶片铺层设计方法，其特征在于，所述的芯材优化方法为在优化后的纤维层中间铺芯材，以各段芯材厚度为设计变量、屈曲系数为设计约束、最小重量为设计变量，在多学科软件中进行屈曲分析的试验设计、试验设计曲面拟合、拟合曲面评价、优化分析及结果校核，求解全局芯材最优厚度。
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