CN112241573B - 一种风力机叶片的细观纤维铺角优化方法 - Google Patents

一种风力机叶片的细观纤维铺角优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力机叶片的细观纤维铺角优化方法，应用于风力机叶片优化设计领域。针对风力机叶片设计中较少考虑材料的微观布局，本发明将风力机叶片制造所用的单、双、三轴向铺层纤维布等效转化为0°、45°、‑45°、90°这四种不同种角度的单层铺层纤维，以所建立的仿真模型的细观单元铺层角度为设计变量、应力最小为约束条件、刚度最大为目标函数，通过求解最优化问题，从而获得风力机叶片细观尺度层面的铺层角度，最终形成一种风力机叶片的细观纤维铺角优化方法，以充分发挥风力机叶片铺层的可设计性潜力，能够满足叶片铺层结构设计的需要，具有重要的理论价值和应用前景。

Description

一种风力机叶片的细观纤维铺角优化方法
技术领域
本发明属于风力机叶片优化设计领域，特别涉及一种风力机叶片的细观纤维铺角优化方法。
背景技术
风力机叶片作为捕获风能的关键部件，其运动状况和受力情况都异常复杂，承受着大部分的动态和静态载荷；其动态响应、结构刚强度和稳定性对风力机组的可靠性起着非常重要的作用，而且必须具有长期在户外自然环境下使用的耐侯性与合理的经济性。目前，针对风力机叶片的优化设计工作主要是在初始铺层设计方案和经验的基础上，通过采用结构优化法或遗传算法等从宏观上分析叶片的性能，逐步优化铺层参数，得到的只是相对较优的结果，较少考虑材料的微观布局，难以最大程度地发挥铺层材料的潜力。因此，提出针对风力机叶片细观层面上的优化方法对风力机叶片优化设计有着重要的意义
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种风力机叶片的细观纤维铺角优化方法。
本发明采用的技术方案为：借鉴离散多相材料优化思想，针对风力机叶片制造所用的铺层纤维布，将单、双、三轴向铺层纤维布等效转化为0°、45°、-45°、90°这四种不同种角度的单层铺层纤维，并根据所述四种不同种角度的铺层纤维具有各向异性的力学性能将其视作四种不同的材料，通过使风力机叶片模型得到最大的强度和刚度，以寻求铺层纤维在风力机叶片空间中的最优化布局；本发明通过建立风力机叶片的仿真模型并结合有限单元法，以仿真模型细观单元的铺层角度为设计变量、仿真模型的应力最小为约束条件、仿真模型的刚度最大为目标函数，采用有限元法推导目标函数对设计变量的灵敏度，构建风力机叶片的细观纤维铺角优化模型；对优化模型采用遗传算法与全局寻优理论进行优化求解，得到初始的铺层角度；结合风力机叶片生产制造过程中的要求进行局部调整，从而获得风力机叶片细观尺度层面的铺层角度。
进一步地，具体包括以下步骤：
S1、依据离散多相材料优化，建立风力机叶片的仿真模型并结合有限单元法，以仿真模型细观单元的铺层角度为设计变量、仿真模型的应力最小为约束条件、仿真模型的刚度最大为目标函数，构建风力机叶片的细观纤维铺角优化模型；
S2、基于离散多相材料优化方法，对风力机叶片进行有限元分析计算，根据有限元分析计算结果推导目标函数对设计变量的灵敏度；
S3、利用遗传算法选取铺层角度，再结合有限元迭代计算及收敛判断准则判断结果是否满足要求，最终完成对复合纤维风力机叶片单元铺设角度的优化；
S4、利用遗传算法与分段取样原则，以提高整体叶片角度寻优速率。
进一步地，步骤S1所述的风力机叶片的细观纤维铺角优化模型表达式为：
Find X＝{xpij}，p∈N，j∈M，i∈Ncan
objective：
Figure GSB0000200199730000021
Figure GSB0000200199730000022
式中：xpij为第p个单元的第i层第j种备选材料的选择变量，N为单元的数目，Ncan为层数，M为单元内备选材料的数目，C为结构的柔顺度，F为结构节点载荷向量，K为结构总体刚度矩阵，
Figure GSB0000200199730000023
为插值后的材料本构矩阵，
Figure GSB0000200199730000024
为单元内第j种备选材料的平均应力，σj max为单元内第j种备选材料的最大应力。
本发明的有益效果：本发明为风力机叶片的设计与优化提供了新的思路和方法，提出了一种风力机叶片的细观纤维铺角优化方法，本发明通过将风力机叶片制造所用的单、双、三轴向铺层纤维布等效转化为0°、45°、-45°、90°这四种不同种角度的单层铺层纤维，并根据所述四种不同种角度的铺层纤维具有各向异性的力学性能将其视作四种不同的材料，通过使风力机叶片模型得到最大的强度和刚度，以寻求铺层材料在风力机叶片空间中的合理布局，以充分发挥复合纤维铺放参数的可设计性潜力，能够满足叶片铺层结构设计的需要，具有重要的理论价值和应用前景。
附图说明
图1为本发明的方案流程图；
图2为本发明实施例中算例1的多层板结构图；
图3为本发明实施例中算例1的不同频率下应力折线图；
图4为本发明实施例中算例1的不同频率下位移折线图；
图5为本发明实施例中算例1的优化铺层结果图；
图6为本发明实施例中算例2的叶片网格图；
图7为本发明实施例中算例2的优化过程中应力迭代曲线图；
图8为本发明实施例中算例2的优化过程中位移迭代曲线图；
图9为本发明实施例中算例2的优化后的风力机叶片的第一层铺层结果图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明借鉴离散多相材料优化思想，针对风力机叶片制造所用的铺层纤维布，将单、双、三轴向铺层纤维布等效转化为0°、45°、-45°、90°这四种不同种角度的单层铺层纤维，并根据所述四种不同种角度的铺层纤维具有各向异性的力学性能将其视作四种不同的材料，通过使风力机叶片模型得到最大的强度和刚度，以寻求铺层纤维在风力机叶片空间中的最优化布局；本发明通过建立风力机叶片的仿真模型并结合有限单元法，以仿真模型细观单元的铺层角度为设计变量、仿真模型的应力最小为约束条件、仿真模型的刚度最大为目标函数，采用有限元法推导目标函数对设计变量的灵敏度，构建风力机叶片的细观纤维铺角优化模型；对优化模型采用遗传算法与全局寻优理论进行优化求解，得到初始的铺层角度；结合风力机叶片生产制造过程中的要求进行局部调整，从而获得风力机叶片细观尺度层面的铺层角度。
进一步地，如图1所示为本申请的方案流程图，具体包括以下步骤：
S1、依据离散多相材料优化，建立风力机叶片的仿真模型并结合有限单元法，以仿真模型细观单元的铺层角度为设计变量、仿真模型的应力最小为约束条件、仿真模型的刚度最大为目标函数，构建风力机叶片的细观纤维铺角优化模型；
S2、基于离散多相材料优化方法，对风力机叶片进行有限元分析计算，根据有限元分析计算结果推导目标函数对设计变量的灵敏度；
S3、利用遗传算法选取铺层角度，再结合有限元迭代计算及收敛判断准则判断结果是否满足要求，最终完成对复合纤维风力机叶片单元铺设角度的优化；
S4、利用遗传算法与分段取样原则，以提高整体叶片角度寻优速率。
进一步地，步骤S1所述的风力机叶片的细观纤维铺角优化模型表达式为：
Find X＝{xpij}，p∈N，j∈M，i∈Ncan
objective：
Figure GSB0000200199730000041
Figure GSB0000200199730000042
式中：xpij为第p个单元的第i层第j种备选材料的选择变量，N为单元的数目，Ncan为层数，M为单元内备选材料的数目，C为结构的柔顺度，F为结构节点载荷向量，K为结构总体刚度矩阵，
Figure GSB0000200199730000043
为插值后的材料本构矩阵，
Figure GSB0000200199730000044
为单元内第j种备选材料的平均应力，σj max为单元内第j种备选材料的最大应力。
为验证本发明实可操作性和有效性，列举以下算例：
算例1：考虑每层厚度相同的6层层合板算例，假定各单元各层铺层纤维铺设的允许角度均为[90°，±45°，0°]中的任何一种，如图2所示为表面受均布载荷作用的多层板结构，均布载荷为0.2MPa，以最小结构柔顺度为目标函数，整个设计域采用6×10的8节点平面单元划分；即相当于设计变量总数为1440，层合板从底向上编号，算例中，纤维材料的的性能参数如表1所示。
表1
Figure GSB0000200199730000045
通过由Python二次开发后的大型商业有限元软件Abaqus进行分析计算，算例模型的最大位移和最大应力如表2所示，不同频率下应力和位移折线图如图3和图4所示，优化后的铺层结果如图5所示。
表2
Figure GSB0000200199730000046
Figure GSB0000200199730000051
算例2：为了验证本发明针对风力机叶片优化设计的适用性，该算例使用本发明所述的优化方法对风力机叶片进行优化，特将非等层数的风力机叶片等效成具有相同层数的叶片，并使用相同的单轴向纤维材料进行原始铺设。有限元分析中，需要根据分析对象的特征，定义相应的单元类型。目前对复合纤维风力机叶片的分析大多是基于板壳理论，故通常选用壳单元；理论上，壳单元不但能满足在弯曲变形、中面变形、中面内力和弯曲内力之间的相互关系，而且在有限元程序操作模块中也更容易实现对复合材料铺层参数的设置，便于更大程度地模拟风力机叶片的实际铺层结构。
综合考虑计算时间与计算结果的准确性，且结合分析问题的实际物理性质，工程实际表明距叶根三分之一处是叶片容易发生破坏的位置，因此本算例取距叶根14.6m作为研究对象算并且进行网格划分，设定网格长宽比小于5，划分出2327个单元。如图6所示。通过Bladed软件模拟仿真风况载荷并等效在叶片参考点上，风况载荷包括各方向的载荷，分别为集中载荷及弯矩载荷。
通过由Python二次开发后的大型商业有限元软件Abaqus进行分析计算，风力机叶片的最大位移和最大应力如表2所示，优化过程中应力与位移迭代曲线图如图7和图8所示，由于优化后的结果数据比较庞大，特举出优化后的风力机叶片的第一层铺层结果如图9所示。
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。

Claims (1)

1.一种风力机叶片的细观纤维铺角优化方法，其特征在于借鉴离散多相材料优化思想，针对风力机叶片制造所用的铺层纤维布，将单、双、三轴向铺层纤维布等效转化为0°、45°、-45°、90°这四种不同种角度的单层铺层纤维，并根据所述四种不同种角度的铺层纤维具有各向异性的力学性能将其视作四种不同的材料，通过使风力机叶片模型得到最大的强度和刚度，以寻求铺层纤维在风力机叶片空间中的最优化布局；通过建立风力机叶片的仿真模型并结合有限单元法，以仿真模型细观单元的铺层角度为设计变量、仿真模型的应力最小为约束条件、仿真模型的刚度最大为目标函数，采用有限元法推导目标函数对设计变量的灵敏度，构建风力机叶片的细观纤维铺角优化模型；对优化模型采用遗传算法与全局寻优理论进行优化求解，得到初始的铺层角度；结合风力机叶片生产制造过程中的要求进行局部调整，从而获得风力机叶片细观尺度层面的铺层角度；
具体包括以下步骤：
S1、依据离散多相材料优化，建立风力机叶片的仿真模型并结合有限单元法，以仿真模型细观单元的铺层角度为设计变量、仿真模型的应力最小为约束条件、仿真模型的刚度最大为目标函数，构建风力机叶片的细观纤维铺角优化模型；
S2、基于离散多相材料优化方法，对风力机叶片进行有限元分析计算，根据有限元分析计算结果推导目标函数对设计变量的灵敏度；
S3、利用遗传算法选取铺层角度，再结合有限元迭代计算及收敛判断准则判断结果是否满足要求，最终完成对复合纤维风力机叶片单元铺设角度的优化；
S4、利用遗传算法与分段取样原则，以提高整体叶片角度寻优速率；
步骤S1所述的风力机叶片的细观纤维铺角优化模型表达式为：
Find X＝{xpij}，p∈N，j∈M，i∈Ncan
Figure FSB0000200444540000011
Figure FSB0000200444540000012
式中：xpij为第p个单元的第i层第j种备选材料的选择变量，N为单元的数目，Ncan为层数，M为单元内备选材料的数目，C为结构的柔顺度，F为结构节点载荷向量，K为结构总体刚度矩阵，
Figure FSB0000200444540000013
为插值后的材料本构矩阵，
Figure FSB0000200444540000014
为单元内第j种备选材料的平均应力，σj max为单元内第j种备选材料的最大应力。
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