[发明专利]一种玻碳混合低风速叶片铺层结构的优化设计方法

说明书

本发明提出了一种玻碳混合低风速叶片铺层结构的优化设计方法，其步骤为：首先，利用叶片典型截面建立铺层结构设计模型，并在铺层结构设计模型上分别建立梁帽区域和尾缘加强区域的铺层厚度模型；其次，采用粒子群算法对梁帽区域和尾缘加强区域的铺层厚度模型进行优化，得到梁帽区域和尾缘加强区域的厚度，进而得到最优的叶片铺层结构。最后通过Ansys软件对叶片的结构强度及结构动力学特性进行了对比和分析，发现玻碳混合低风速叶片的载荷、质量及叶尖最大变形量有明显的降低。本发明在低风速风电叶片的玻碳混合铺层结构设计问题进行了研究，对低风速风电叶片轻量化、风能捕获效率最大化及总机运行成本最优化设计具有非常重要的意义。

技术领域

本发明涉及低风速风电叶片结构设计优化技术领域，特别是指一种玻碳混合低风速叶片铺层结构的优化设计方法。

背景技术

为了提高风轮风能的吸纳能力，降低发电成本，需要设计风轮叶片长度、重量和极限载荷较常规风轮叶片有明显的增加的低风速风力机组。对低风速风轮叶片，为了增加叶片的柔韧性，降低风轮叶片的载荷和重量，提高风电机组的发电成本，探索采用玻璃纤维材料和碳纤维材料混杂风电叶片优化设计具有非常重要的意义。目前，风力机叶片主要是由玻璃纤维增强环氧树脂制备而成，其目的是在保证叶片强度和刚度的前提下，减轻叶片的质量和载荷。周红丽对风电叶片复合材料进行了综述研究，发现碳纤维复合材料风电叶片是提高风力发电机组单机容量大型化的有效途径。NREL实验室针对未来海上10MW风电机组，设计了玻碳混合铺层叶片概念设计模型。Mehdi Kalantari等采用改进的遗传算法(NSGA-II)使玻碳纤维复合材料在规定的最小抗弯强度约束下，材料密度和成本最小。张娜等针对多风沙环境下的固体粒子对叶片冲蚀磨损研究，发现玻碳混合叶片具有良好的界面结合性和表面疏水性能，大大提高了风电叶片的抗冲蚀磨损性能。

发明内容

本发明提出了一种玻碳混合低风速叶片铺层结构的优化设计方法，解决了现有低风速叶片结构设计中减载减重的技术问题，为低风速叶片的轻量化设计提供了依据和参考，有助于推动风电叶片制造技术的发展。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种玻碳混合低风速叶片铺层结构的优化设计方法，其步骤如下：

S1、利用叶片典型截面建立铺层结构设计模型，并在铺层结构设计模型上分别建立梁帽区域和尾缘加强区域的铺层厚度模型；

S2、采用粒子群算法对梁帽区域和尾缘加强区域的铺层厚度模型进行优化，得到梁帽区域和尾缘加强区域的厚度，进而得到最优的叶片铺层结构。

所述铺层结构设计模型中叶片的上翼的铺层结构与下翼的铺层结构相同，沿叶片周向将铺层分为前缘加强区域、前缘面板区域、梁帽区域、尾缘面板区域、尾缘加强区域和尾缘区域；且上翼面和下翼面之间设有腹板，其中，腹板设有两块。

所述前缘加强区域、梁帽区域和尾缘加强区域的铺层结构相同，从外至内依次为玻璃纤维双轴布、玻璃纤维三轴布、翼面泡沫、碳纤维单轴布、玻璃纤维双轴布；所述前缘面板区域和尾缘面板区域的铺层结构相同，从外至内依次为玻璃纤维双轴布、玻璃纤维三轴布、翼面泡沫、玻璃纤维双轴布；所述尾缘区域的铺层结构从外至内依次为玻璃纤维双轴布、玻璃纤维三轴布、玻璃纤维双轴布；所述腹板的铺层结构从外至内依次为玻璃纤维双轴布、腹板泡沫、玻璃纤维双轴布。

所述梁帽区域和尾缘加强区域的铺层厚度模型为：叶片的任一截面处，梁帽区域和尾缘加强区域的碳纤维单轴布的厚度值分别为玻璃纤维单轴布的厚度值的k1和k2倍。

所述采用粒子群算法对梁帽区域和尾缘加强区域的铺层厚度模型进行优化的方法为：

S21、将叶片的总质量作为目标函数，将叶片的结构强度、叶尖变形量及自振频率作为约束条件；