[发明专利]一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法

说明书

本发明提供了一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法，包括以下步骤：步骤1，选取各种不同分形维数的植物叶脉作为训练对象；步骤2，以不同分形维数的植物叶脉为学习目标，基于深度学习算法提取植物叶脉位图中所具有的几何规律，并以叶脉分支阶数、叶脉分形维数以及生成点阵密度为输出参数，构成具有特定分形维数的普适性点阵；步骤3，将普适性点阵通过设计软件对称内嵌于风力机支撑结构的壁面，仿生内肋的铺设部位根据风力机支撑结构在各种承载环境下的结构问题进行确认；步骤4，基于有限元方法对不同厚度的仿生内肋的支撑结构动力学特性进行校核，来对仿生内肋的厚度进行调整。

技术领域

本发明属于风力机支撑结构领域，具体涉及一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法。

背景技术

风力机结构需要面对土壤柔性、湍流风、海浪、海流、台风及地震等多重挑战。就海上风力机而言，10MW风力机顶部有百米的风轮直径，底部有数十米的海洋深度，大跨度结构依赖海床中的桩基以实现稳定性。由于风力机顶部的气动、电机及控制系统运行条件苛刻，因此支撑结构的动力学特性及稳定性将直接影响风力机使用寿命及发电效率。此外，依据工程统计，风力机支撑结构成本约占总成本的30％，在较深海域甚至达到35％，如果包括安装费用，支撑结构部分的投资将达到总工程投资的40％以上。为此，有必要通过高效、合理的方式对支撑结构进行强化，以延长使用寿命、提高结构稳定性，从而实现度电成本的降低。

然而，目前普通的塔架支撑结构存在一定的结构问题：为保证风力机发电效率，降低塔影效应影响及具备良好的卸载能力，通常设计为细长柔性体，导致其应力应变在塔壁分布不合理性，从而导致其抗疲劳能力较差。

为提高塔架性能，通过结构改型影响支撑结构自身动力学特性是一种非常有效的强化手段。为此，有学者在塔架外部开展改型，安装多种机械结构，以期实现结构稳定性的提高，或疲劳的转移。但风力机支撑结构外部的大幅改型不仅未考虑耗材成本与施工的可能性，而且外部改型势势必对流域产生影响，塔影效应的变化会导致发电效率降低，而且多种运动机械自身就存在一定的安全问题。此外，也有学者基于仿生结构对风力机支撑结构进行改型，但该方法存在固有频率变化导致共振风险加剧的问题。从工程实际应用角度出发，风力机支撑结构固有频率存在特性的频带需求，以10MW风力机为例，当风力机风轮设计转速运行范围为6.0rpm～9.6rpm，对应的旋转频率1P(单个叶片运行时通过频率)变化范围为0.10Hz～0.16Hz，叶片通过频率3P(三个叶片运行时通过频率)变化范围为0.3Hz～0.48Hz。为避免共振影响风力机运行安全，风力机叶片和塔架等主要运动部件的固有频率应避开1P和3P频率变化范围。介于1P和3P之间的频率带一般被认为是塔架低阶模态固有频率，考虑10％安全误差，理想设计区间为0.166Hz～0.282Hz。因此，需要通过设计使得改型后支撑结构的动力学特性在适合频段内，且也需要同时考虑改型后的抗疲劳和屈曲性能。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法。

本发明提供了一种风力机支撑结构仿生内肋的设计方法，用于设计一种加装铺设于风力机支撑结构内部的仿生内肋，来改进风力机支撑结构的力学问题，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，选取各种不同分形维数的植物叶脉作为训练对象；

步骤2，以不同分形维数的植物叶脉为学习目标，基于深度学习算法提取植物叶脉位图中所具有的几何规律，并以叶脉分支阶数、叶脉分形维数以及生成点阵密度为输出参数，构成具有特定分形维数的普适性点阵；

步骤3，将普适性点阵通过设计软件对称内嵌于风力机支撑结构的壁面，仿生内肋的铺设部位根据风力机支撑结构在各种承载环境下的结构问题进行确认；

步骤4，基于有限元方法对不同厚度的仿生内肋的支撑结构动力学特性进行校核，来对仿生内肋的厚度进行调整。

在本发明提供的风力机支撑结构仿生内肋的设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，设计软件为三维CAD软件。