CN111783347A - 一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法，应用于复合纤维风力机叶片铺层参数优化设计领域。传统的铺层参数优化设计，主要是在原有的铺层设计方案和相关设计经验的基础上，通过局部调整叶片的铺层方案，从宏观上优化复合纤维风力机叶片的铺层参数，较少考虑材料的细观布局，难以最大程度地发挥复合材料的可设计潜力。本发明可对复合纤维风力机叶片进行分区细观铺层参数优化设计，形成针对复合纤维风力机叶片的分区细观铺层参数优化方法，可进一步提升复合纤维风力机叶片的性能，具有重要的理论价值和工程应用价值。

Description

一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法
技术领域
本发明属于复合纤维风力机叶片铺层参数优化设计技术领域，具体涉及一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法。
背景技术
作为捕获风能和能量转换的关键部件，复合纤维风力机叶片良好的设计、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。复合纤维风力机叶片的性能不仅取决于材料自身的性能，更取决于复合纤维风力机叶片铺层参数的选取与控制，不同铺层参数复合纤维风力机叶片的性能亦不同。铺层参数具有可设计性，为设计者提供了进一步调整细观铺层参数、优化结构响应的设计空间。随着风轮向单机大功率、轻量化、高性能、低成本的方向发展，对叶片的性能和重量也提出了更高的要求，迫切需要进一步充分发挥铺放参数的可设计性潜力。为此，如何设计叶片的铺层参数，以保证叶片的结构性能尽可能达到最优具有重要的科学研究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分区细观铺层参数优化方法，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，随着风轮向单机大功率、轻量化、高性能、低成本的方向发展，对叶片的性能和重量也提出了更高的要求，迫切需要进一步充分发挥铺放参数的可设计性潜力。为此，如何设计叶片的铺层参数，以保证叶片的结构性能尽可能达到最优具有重要的科学研究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分区细观铺层参数优化方法，在改进离散材料优化方法的基础上，基于SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization，固体各向同性材料惩罚)材料插值方法，建立相应优化模型，应用SQP(Sequential Quadratic Programming，序列二次规划)优化算法求解优化模型，得到复合纤维风力机叶片的分区细观优化铺层方案，以实现复合纤维风力机叶片性能的提升。
进一步地，具体包括以下步骤：
S1、建立复合纤维风力机叶片的有限元模型；
S2、将复合纤维风力机叶片分区、编码，得到各区域的单元、结点、边界条件等模型信息和刚度矩阵；
S3、基于SIMP材料插值方法，建立复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化数学模型；
S4、对复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化模型进行灵敏度分析，得到复合纤维叶片灵敏度表达式；
S5、应用结构位移分析方法和SQP算法进行设计变量的求解和更新迭代，直至结果收敛；
S6、得到优化后的复合纤维风力机叶片铺层方案。
进一步地，步骤S2所述的分区、编码方式为：将复合纤维风力机叶片每层铺层划分为80个设计区域，沿叶片伸展方向分为8段，沿叶片环向分为10段。
进一步地，步骤S3所述的一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化数学模型如下所示。
Find:X＝{xi,j,m},i∈Np,j∈Nm,m∈Nl
Obj.:MinC＝UTKU
S.t.:K(xi,j,m)U＝F
Figure BDA0002604151070000021
0≤xi,j,m≤1
Figure BDA0002604151070000022
其中，X代表叶片的设计变量列阵，xi,j,m代表设计变量，i代表区域，j代表备选材料，m代表层，Np代表复合纤维风力机叶片区域集合数，Nm代表复合纤维风力机叶片材料选择数，Nl代表复合纤维风力机叶片总层数，α代表惩罚指数，C代表复合纤维风力机叶片柔顺度，U代表复合纤维风力机叶片的结点位移列阵，UT代表复合纤维风力机叶片的结点位移列阵的转置，K代表复合纤维风力机叶片总体刚度矩阵。约束条件K(xi,j,m)U＝F代表复合纤维风力机叶片的结构静力学分析表达式；
Figure BDA0002604151070000023
代表复合纤维风力机叶片总刚度矩阵的组装；Kijm代表区域中备选材料的刚度矩阵；Kother代表复合纤维风力机叶片非优化区域刚度矩阵，是复合纤维风力机叶片主梁、叶根、腹板刚度矩阵的集合；0≤xi,j,m≤1为设计变量的取值界限；
Figure BDA0002604151070000031
为设计变量的求和约束。
进一步地，步骤S4所述的复合纤维风力机叶片灵敏度表达式为：
Figure BDA0002604151070000032
其中，Ui代表第i个区域的位移向量，
Figure BDA0002604151070000033
代表第i个区域的位移转置向量。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本方案的一个创新点在于，本发明为复合纤维风力机叶片铺层参数优化设计提供了新的实现途径，提出了一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法。本发明致力于探索复合纤维叶片铺层参数优化的新方法，为工程实际设计提供了方法和技术支持，具有重要的理论价值和工程应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的方案流程示意图；
图2为本发明实施例的叶片结构图；
图3为本发明实施例的迭代过程图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法，在改进离散材料优化方法的基础上，基于SIMP材料插值方法，建立相应优化模型，应用SQP优化算法求解优化模型，得到复合纤维风力机叶片分区细观优化铺层方案，以实现复合纤维风力机叶片性能的提升，最终形成一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法。
如图1所示，是本发明的方案流程示意图，具体包括以下步骤：
S1、建立复合纤维风力机叶片的有限元模型；
S2、将复合纤维风力机叶片分区、编码，得到各区域的单元、结点、边界条件等模型信息和刚度矩阵；
S3、基于SIMP材料插值方法，建立复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化数学模型；
S4、对复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化模型进行灵敏度分析，得到复合纤维叶片灵敏度表达式；
S5、应用结构位移分析方法和SQP算法进行设计变量的求解和更新迭代，直至结果收敛；
S6、得到优化后的复合纤维风力机叶片铺层方案。
进一步地，步骤S2所述的分区、编码方式为：将复合纤维风力机叶片每层铺层划分为80个设计区域，沿叶片伸展方向分为8段，沿叶片环向分为10段。
进一步地，铺层厚度沿复合纤维叶片伸展方向的8个区域依次递减，分别为36 mm、30mm、24mm、24mm、24mm、18mm、18mm、18mm。
进一步地，步骤S3所述的复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化数学模型如下所示。
Find:X＝{xi,j,m},i∈Np,j∈Nm,m∈Nl
Obj.:MinC＝UTKU
S.t.:K(xi,j,m)U＝F
Figure BDA0002604151070000041
0≤xi,j,m≤1
Figure BDA0002604151070000042
其中，X代表叶片的设计变量列阵，xi,j,m代表设计变量，i代表区域，j代表备选材料，m代表层，Np代表复合纤维风力机叶片区域集合数，Nm代表复合纤维风力机叶片材料选择数，Nl代表复合纤维风力机叶片总层数，α代表惩罚指数，C代表复合纤维风力机叶片柔顺度，U代表复合纤维风力机叶片的结点位移列阵，UT代表复合纤维风力机叶片的结点位移列阵的转置，K代表复合纤维风力机叶片总体刚度矩阵。约束条件K(xi,j,m)U＝F代表复合纤维风力机叶片的结构静力学分析表达式；
Figure BDA0002604151070000051
代表复合纤维风力机叶片总刚度矩阵的组装； Kijm代表区域中备选材料的刚度矩阵；Kother代表复合纤维风力机叶片非优化区域刚度矩阵，是复合纤维风力机叶片主梁、叶根、腹板刚度矩阵的集合；0≤xi,j,m≤1为设计变量的取值界限；
Figure BDA0002604151070000052
为设计变量的求和约束。
进一步地，Kijm计算公式为：Kijm＝∫ΩBTDBdΩ，通常采用高斯数值积分法求解。
进一步地，复合纤维风力机叶片的材料为玻璃纤维，其属性见表1。
表1
Figure 1
进一步地，步骤S4所述的叶片灵敏度表达式为：
Figure BDA0002604151070000054
其中，Ui代表第i个区域的位移向量，
Figure BDA0002604151070000055
代表第i个区域的位移转置向量。进一步地，通过SQP算法的不断优化迭代，迭代过程如图3所示，优化目标逐渐减小，证明优化方法的有效性和正确性。
进一步地，通过优化求解得到复合纤维风力机叶片各区域的铺层方案数据，见表2，限于篇幅，仅列出部分数据。
表2
Figure BDA0002604151070000061
Figure BDA0002604151070000071
表2中，No.1-No.80、No.81-No.160、No.161-No.240、No.241-No.290、 No.291-No.310、No.310-No.320分别为第一、二、三、四、五和六层的设计变量。设计变量加粗标注的数值表示对应单元选择的材料。
根据此部分数据，可转换为复合纤维风力机叶片环向各区域的细观铺层方案见表3到表12。
表3
Figure BDA0002604151070000072
表4
Figure BDA0002604151070000073
表5
Figure BDA0002604151070000074
表6
Figure BDA0002604151070000081
表7
Figure BDA0002604151070000082
表8
Figure BDA0002604151070000083
表9
Figure BDA0002604151070000084
表10
Figure BDA0002604151070000085
Figure BDA0002604151070000091
表11
Figure BDA0002604151070000092
表12
Figure BDA0002604151070000093
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法，其特征在于，在改进离散材料优化方法的基础上，基于SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization，固体各向同性材料惩罚)材料插值方法，建立相应优化模型，应用SQP(Sequential QuadraticProgramming，序列二次规划)优化算法求解优化模型，得到复合纤维风力机叶片的分区细观优化铺层方案，以实现复合纤维风力机叶片性能的提升。
2.如权利要求1所述的一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、建立复合纤维风力机叶片的有限元模型；
S2、在步骤S1的基础上，将复合纤维风力机叶片分区、编码，得到各区域的单元、结点、边界条件等模型信息和刚度矩阵；
S3、在步骤S2的基础上，基于SIMP材料插值方法，建立复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化数学模型；
S4、在步骤S3的基础上，对复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化模型进行灵敏度分析，得到复合纤维风力机叶片灵敏度表达式；
S5、在步骤S4的基础上，应用结构位移分析方法和SQP算法进行设计变量的求解和更新迭代，直至结果收敛；
S6、在步骤S5的基础上，得到优化后的复合纤维风力机叶片铺层方案。
3.如权利要求2所述的一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法，其特征在于，步骤S2所述的分区、编码方式为：将复合纤维风力机叶片每层铺层划分为80个设计区域，沿叶片伸展方向分为8段，沿叶片环向分为10段。
4.如权利要求2所述的一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法，其特征在于，步骤S3所述的复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化数学模型如下所示；
Find:X＝{xi,j,m},i∈Np,j∈Nm,m∈Nl
Obj.:Min C＝UTKU
S.t.:K(xi,j,m)U＝F
Figure FDA0002604151060000021
0≤xi,j,m≤1
Figure FDA0002604151060000022
其中，X代表叶片的设计变量列阵，xi,j,m代表设计变量，i代表区域，j代表备选材料，m代表层，Np代表复合纤维风力机叶片区域集合数，Nm代表复合纤维风力机叶片材料选择数，Nl代表复合纤维风力机叶片总层数，α代表惩罚指数，C代表复合纤维风力机叶片柔顺度，U代表复合纤维风力机叶片的结点位移列阵，K代表复合纤维风力机叶片总体刚度矩阵；约束条件K(xi,j,m)U＝F代表复合纤维风力机叶片的结构静力学分析表达式；
Figure FDA0002604151060000023
代表复合纤维风力机叶片总刚度矩阵的组装；Kijm代表区域中备选材料的刚度矩阵；Kother代表复合纤维风力机叶片非优化区域刚度矩阵，是复合纤维风力机叶片主梁、叶根、腹板刚度矩阵的集合；0≤xi,j,m≤1为设计变量的取值界限；
Figure FDA0002604151060000024
为设计变量的求和约束。
5.如权利要求2所述的一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法，其特征在于，步骤S4所述的复合纤维风力机叶片灵敏度表达式为：
Figure FDA0002604151060000025
其中，C代表复合纤维风力机叶片柔顺度，xi,j,m代表设计变量，U代表复合纤维风力机叶片的结点位移列阵，UT代表复合纤维风力机叶片的结点位移列阵的转置，K代表复合纤维风力机叶片总体刚度矩阵；Kijm代表区域中备选材料的刚度矩阵；α代表惩罚指数，Ui代表第i个区域的位移向量，
Figure FDA0002604151060000026
代表第i个区域的位移转置向量。
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