[发明专利]风力机叶片主梁铺层优化设计方法

摘要

风力机叶片主梁铺层优化设计方法，所述方法包括叶片结构分析:基于梁、壳理论把叶片简化为悬臂梁，并结合给定叶片参数进行叶片剖面几何特性、载荷内力、应力应变和叶片铺层厚度的计算；遗传算法优化：风力机叶片铺层厚度的优化设计，以风力机叶片刚度和强度为约束，以叶片质量最小为目标，确定叶片不同位置铺层厚度；本发明利用编写的优化设计程序，针对特定环境计算了叶片铺层厚度。计算结果表明，叶片在满足刚度和强度条件下质量有所下降，优化模型具有实用性和有效性。

主权项

风力机叶片主梁铺层优化设计方法，其特征在于，其步骤为：（1）叶片气动外形参数确定，叶片主梁为盒型主梁，叶片剖面为主梁加蒙皮结构形式，叶片沿展向离散化得到n个横截面，每个剖面面积分为三部分蒙皮面积A₁、主梁帽面积A₂和抗剪腹板面积A₃，整个剖面的面积为A=A₁+A₂+A₃；（2）根据步骤（1）中蒙皮面积计算剖面积矩公式如下：、；进一步的，剖面形心等于：，；叶片剖面惯性矩等于、、，通过坐标转化就能得到主轴坐标下惯性矩；（3）计算叶片载荷及内力，正常工作状态下，叶片受到气动力、离心力和自身重力；（4）根据步骤（2）中计算得到的剖面几何特性参数可计算气动力弯矩和扭矩，公式如下：，；；式中，叶片气动中心，为叶片剖面扭转中心；（5）叶片所受重力载荷的弯矩和扭矩可按如下公式计算：，；其中、分别为叶片的折算密度和剖面面积，为重力加速度，为叶片旋转方位角，为叶片重心坐标；（6）叶片所受离心力载荷的弯矩和扭矩计算公式如下：，；；其中，、为叶片剖面处重心；（7）步骤（3）、步骤（4）和步骤（5）中计算得到的弯矩扭矩是对应剖面坐标系，进一步的，把剖面内力转换到剖面形心位置坐标系，包括第一主轴和第二主轴，叶片弯曲正应力计算公式为：，；其中，M为弯矩I为对应轴，即第一主轴的惯性矩，表示截面离散点偏离轴的最大值；（8）每个叶片截面分为三部分：蒙皮、主梁帽和抗剪腹板；采用等代设计计算叶片铺层厚度，蒙皮采用双向布铺层，蒙皮双向布的铺设提供足够的剪切强度，计算公式为：；式中，为第个与第个腹板之间面板的宽度；为双向布单层厚度；为双向布单层铺设的最少层数；（9）主梁用单向布铺层，单向布铺层厚度可以按照强度准则计算，具体计算公式如下：；上式表明根据不同铺层厚度可以得到不同计算刚度，当不同铺层厚度代入上式计算得到的刚度能够满足最大应力需求时，叶片厚度则满足要求；（10）根据遗传算法，把叶片铺层厚度设为变量，按照上述步骤和顺序，计算剖面几何特性参数，剖面受力，叶片所受应力，最后根据强度准则得到满足条件的铺层厚度；在迭代计算叶片铺层厚度时，选取满足强度要求并且使叶片质量最小的铺层厚度作为输出结果。