[发明专利]一种水平轴风力机叶片铺层的优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及水平轴风力机叶片铺层的设计技术领域，特别是水平轴风力机极限载荷的预测计算方法以及极限载荷条件下的风力机叶片铺层优化设计方法。

技术背景

现代大型风力机主要以水平轴的结构型式为主。叶片作为其关键部件之一，它的性能直接关系到整个风电机组的风能转换效率和制造成本，而现在的水平轴风力机叶片主要是由复合材料铺层制成。所以开展风力机叶片铺层的优化设计对降低风电机组成本及提高叶片的可靠性具有重要意义。

风力机叶片的铺层设计需要考虑的设计要求很多，如叶片的质量、叶片的固有频率、叶根的极限载荷、叶片的最大叶尖偏移、叶片的最小极限安全因子等。其中叶根的极限载荷、叶片的最大叶尖偏移和叶片的最小极限安全因子与叶片受到的载荷直接相关，尤其是与叶片受到的极限载荷相关。到目前为止,大部分风力机主要是因为各种极限状况的出现而失效的,严重的甚至无法修复。因此，极限载荷是叶片铺层设计时的重点。另外，国内的低风况区域分布广泛，随着我国风电产业的发展，设计出能适应低风况的叶片将是大势所趋。但此类叶片的设计与传统的叶片设计相比具有如下特点，叶片本身将变得更长，叶片也更柔，而与整机的接口参数如叶根的最大弯矩等又不允许增加，因此如何控制极限载荷以及开展极限载荷条件下的叶片设计已经成为急需解决的技术难题。而传统的叶片设计理念和方法，大部分均以叶片的最大气动效率，如最大能量输出、最小能量成本,最小质量等经济性指标为设计目标，进行叶片气动、结构设计及优化。

在得到风力机的极限载荷后，由于叶尖偏移与载荷成正比，安全因子与载荷成反比，可以将叶片各截面的极限载荷同时加载到叶片上，进行最大叶尖偏移计算和最小极限安全因子计算评估。而工程设计上使用的方法主要还是采用多工况的气弹模拟计算，然后统计得到叶片的最大叶尖偏移和最小极限安全因子。这样做虽然比较准确但是非常耗时。而且如果叶片的铺层不满足其中一项要求，则需要重新修改铺层，重新进行各工况的气弹模拟计算，这将大大增加计算时间，而事实上有一些计算是可以不用做的。同时也不易用于叶片铺层的优化设计中。

目前，工程上优化设计叶片铺层所使用的方法主要依据设计者的经验手动的调整铺层、然后计算该叶片铺层是否满足以上的设计要求，不满足再返回来手动的调整铺层，再计算，再调整…，直到满足设计要求为止。所以其设计时间长，而且往往可以继续优化，得到性能更好的叶片。为了减少设计时间又能得到性能更好的叶片，也有一些学者将优化算法用于叶片结构的优化设计中，但他们在进行结构分析计算时，通常选取有限的几个工况进行分析，由于极限载荷、最大叶尖偏移、最小安全因子不一定出现在选取的工况中，所以无法保证优化后的叶片运行在所有工况下都满足设计要求。需要进行全工况的校核分析，如果不满足设计要求还需要重新优化、重新校核…，直到满足设计要求为止。虽然能在一定程度上减少设计时间同时获得较好结果，但还需要对以上优化设计方法进一步的改进来更快更好的设计叶片，以使设计出的叶片具有更高的市场竞争力。

发明内容

针对目前使用的设计方法存在的设计时间长且不易用于优化设计的问题，本发明的目的在于提供一种水平轴风力机叶片铺层的优化设计方法。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种极限载荷条件下叶片铺层的优化设计方法，其特征在于，所述优化设计方法包括如下步骤：

步骤S1、获得风力机叶片的初始铺层方案，对叶片的初始铺层进行参数化建模；

步骤S2、根据参数化建模后的叶片铺层，得到叶片展向各截面的铺层信息；

步骤S3、根据叶片展向各截面的铺层信息，采用经典层合板理论并假设周向应力为零，计算叶片的质量线密度分布和刚度分布；

步骤S4、根据叶片的质量线密度分布和刚度分布计算叶片的固有频率；

步骤S5、根据叶片各截面的极限载荷分布及叶片的结构特性参数（主要是叶片截面的挥舞刚度、摆振刚度、扭转刚度、抗拉刚度、质量线密度、质量中心和弹性中心参数）求取叶片的最小极限安全因子以及最大叶尖偏移；

步骤S6、判断叶片的固有频率、最小极限安全因子以及最大叶尖偏移是否满足约束条件，如果满足则沿叶片分段积分得到叶片的总质量；否则，直接令叶片质量为一很小的常数值，如-99999。

步骤S7、采用智能优化算法对叶片铺层进行优化，改变叶片的铺层，继续步骤S2至步骤S6，直至得到最优的叶片铺层方案。

优选地，步骤S3中，采用经典层合板理论并假设周向应力为零计算叶片各截面的刚度特性、质量线密度，得到叶片沿展向的质量线密度分布和刚度分布。