[发明专利]一种复合纤维风力机叶片分区细观铺层参数优化方法

说明书

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。

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＝{x_i,j,m},i∈N^p,j∈N^m,m∈N^l

Obj.:MinC＝U^TKU