基于遗传算法的风力机叶片结构铺层厚度优化

从工程角度出发,提出结合有限元法和遗传算法的优化方法,以解决复杂、多变量风力机叶片结构性能最值优化问题。根据复合材料层合板力学特性,推导单层铺层厚度与层合板主应力之间的数学关系,设计改进遗传算法,给出优化流程。以某1.5 MW叶片为对象,最大主应力为优化目标函数,对其进行铺层厚度优化,得到各轴向布在叶片不同部位的优化铺层厚度范围。结果表明:优化后叶片的最大主应力和应变均明显降低,结构性能显著提高,验证了优化方案和方法的正确性和有效性。     

风力机模型叶片结构设计计算

设计了一种用于风洞实验的风力机模型叶片,为了使模型叶片的结构设计达到试验要求,基于传统Wilson方法,考虑叶尖损失和失速状态下动量理论的失效修正,采用改进后的Wilson优化设计方法 ,利用MATLAB优化工具箱计算出各截面的参数,然后针对叶片的受力情况,根据各截面几何参数利用材料力学理论知识对叶片的强度和刚度进行校核,计算得到叶片的总应力、转角和挠度沿叶高的分布曲线。分析表明,叶片的最大总应力、最大转角和最大挠度都远小于叶片材料的许用值。因此,该风力机模型叶片在结构设计、强度和刚度上是满足要求的,为风力机模型的进一步试验研究奠定了基础。     

基于额定载荷的10 MW海上风电叶片铺层优化

以某10 MW海上风电机组叶片为模型,基于经典层合板理论、欧拉伯努利理论和复合梁剪切流动理论,采用粒子群优化算法,对额定载荷下叶片结构铺层进行仿真优化。在满足对最大应力、弯曲、偏转和叶片固有频率的条件下,优化复合铺层厚度和主梁弦向位置,最小化叶片质量。优化结果:叶片质量减少9.66%,轴向刚度、挥舞刚度和扭转刚度均有所提升,Tsai-Wu强度因子远小于1,不会造成静态失效和疲劳损伤。     

铺层参数对风力机叶片静态结构性能的影响分析

复合材料风力机叶片的性能因铺层参数的变化而不同,为了优化铺层方案,探讨了铺层参数对风力机叶片静态结构性能的影响。以某1.5 MW风力机叶片距叶根1/3段为对象,建立其有限元模型,计算叶片在极限工况下各截面的载荷;分析该叶片铺层所采用的单、双、三轴向布的基本力学性能,得出可行替代方案。通过对不同铺层角度、铺层顺序和铺层比例的代表性铺层方案进行分析对比,初步得出叶片具有良好性能的铺放参数。在此基础上,优化原有设计方案,结果表明改进后叶片的失效因子和变形明显降低,验证了所得结论的正确性。     

叶片数目对风轮位移和应力的影响

以NREL 5 MW风力机单叶片风轮为基础,利用UG建模软件分别建立两叶片、三叶片和四叶片风轮模型,并基于ANSYS Workbench软件对额定工况下的风轮模型进行流固耦合计算,结果表明:两叶片、三叶片和四叶片风轮的最大位移均发生在各风轮的叶尖位置,其中,四叶片风轮的位移最大,稳定性最差;两叶片风轮所承受应力不及三叶片与四叶片风轮的一半,侧面反映了两叶片风轮风能捕集能力不足。综上所述,相比于两叶片与四叶片风轮,三叶片风轮更具有优势,揭示了三叶片风轮的风力机成为市场主流风力机的主要原因。     

兆瓦级水平轴风力机叶片铺层设计参数影响分析

为研究主梁材料及铺层角度对风力机叶片结构特性影响,基于三维建模软件NX二次开发建立风力机叶片几何模型,结合铺层设计并通过CFD方法获取叶片表面压力分布,采用有限元方法对叶片进行结构模态、强度及屈曲分析。结果表明:碳纤维主梁叶片质量较玻璃钢减轻约8.08%,主梁材料对模态振型影响较小,主梁铺层角度对挥舞方向运动影响更大;0°铺层主梁叶片共振破坏风险低且应力应变峰值均最小,碳纤维主梁叶片较玻璃钢应力及应变峰值降幅最大约20.57%、26.51%;主梁0°铺层时叶片屈曲因子最大,而60°铺层时最小,碳纤维主梁叶片较玻璃钢临界屈曲载荷增幅最大约17.84%,有效降低屈曲失稳风险;额定工况下,叶片局部屈曲域在近叶尖处尾缘区和近叶根处最大弦长截面前缘区。     

基于元胞遗传算法的风力机叶片优化设计

采用经过叶尖损失、轮毂损失及失速状态下动量理论修正的片条理论为基础,在满足设计功率的前提下,以最大升阻比系数为优化目标,以叶片的形状参数弦长、扭角为优化设计变量,通过元胞自动机遗传算法对风力机叶片进行优化。最后应用该优化模型对某2 MW变桨距风力机叶片进行优化设计,并对优化结果进行比较分析,验证了该算法的有效性,为风力机叶片的后续研究奠定了基础。     

风力机变桨故障叶片载荷特征及仿生分形与原始结构对比研究

为探究切出风速下风力机变桨故障叶片的载荷及动力学特征,利用FAST软件进行数值计算,发现载荷及叶尖位移分别为变桨成功叶片的13.6和14.2倍,可知变桨故障叶片极可能发生结构失效断裂事故。为改善结构力学性能,提出结合仿生方法及分形理论的新构型叶片,并通过有限元分析与原始叶片进行对比,其中载荷边界条件来自以数据库方式存储FAST计算结果的叶片17段载荷数据。结果表明：仿生分形叶片重量及叶尖位移分别比原始叶片减少23.4%和19.7%;同时,结构屈曲分析显示,仿生分形叶片一阶屈曲因子为1.858,比原始叶片提高33.6%,极大增加了叶片结构安全性。     

风力机叶片约束阻尼结构建模及抑颤研究

针对大型风力机叶片的颤振问题,提出将约束阻尼结构应用于叶片以增大其结构阻尼。基于能量法建立局部约束阻尼叶片的动力学模型,推导出结构损耗因子的表达式;根据模态应变能分布情况确定约束阻尼层的敷设位置,并参数化分析阻尼层与约束层厚度对模态损耗因子的影响,采用混合单元法建立某型1.5 MW风力机阻尼叶片三维有限元模型;通过Newmark直接积分法对普通叶片及阻尼叶片在额定风速和极限风速下的动力响应进行仿真对比。结果显示,与普通叶片相比,约束阻尼结构叶片在两种风速下叶尖挥舞和摆振方向的位移、加速度标准差均减小50%以上,可显著提高叶片的抑颤能力。     

风力机预弯叶片多目标优化设计

在风力机预弯叶片的设计中,叶片弦长扭角分布、铺层结构与弯曲型线之间存在着复杂的耦合设计关系,具有良好性能的叶片不仅要求年发电量高、重量轻,而且要求对主机产生的载荷小。为了使设计叶片在其生命周期内能经受各种复杂的工况,文章提出在组合危险工况下进行叶片的极限设计载荷计算,基于提出的叶片预弯型线设计方法构建了预弯叶片的气动外形和铺层结构一体化优化设计模型,以叶片的年发电量最大、质量最小和对主机的载荷最小为目标,以叶片的气动外形及叶片铺层结构的关键参数为设计变量,在满足材料强度、叶尖最大变形、振动频率的约束条件下,采用多目标粒子群算法(MOPSO)对现有的某1.5 MW风力机叶片进行优化设计。结果表明,优化设计得到的叶片Pareto最优解集可满足主机不同的匹配需要,对最优解集叶片进行分析,挑选得到了综合性能比原1.5 MW风力机叶片均有较大提高的新叶片。     

L型叶尖小翼对风力机性能影响的研究

采用标准的k-ε湍流模型对添加L型叶尖小翼叶片与原叶片在不同风速条件下进行三维流场的数值研究。通过分析叶尖区域流场和压力分布得到:对比原叶片,L型小翼对通过叶尖的气流具有导流作用,使通过叶尖的气流变得平缓流畅,同时小翼能有效改善叶尖吸力面的气流分离,使得气流分离位置远离叶片前缘,减小压差阻力。L型叶尖小翼加大叶尖部位吸力面与压力面的压差,增大风轮转矩,使风力机出力增加。添加L型小翼后,风力机推力系数最大增幅为0.81%,风力机功率最大增幅为4.2%。     

大型风力机叶片铺层及模态分析

使用ANSYS软件,自下而上建立风力机叶片的有限元模型,使用单元类型SHELL 99对叶片模型实行铺层。运用有限元方法,对几组铺层方案进行叶片的模态分析,结果显示大型风力机叶片梁帽的铺层对频率及相对位移影响最大,增加梁帽铺层数可更好地提升叶片的结构动力学性能。     

切出风速下风力机变桨故障叶片气动特性及准静态结构响应分析

为探究大型水平轴风力机达到切出风速停机后变桨故障叶片的气动特性及准静态结构响应,基于计算流体力学方法对NREL 5 MW风力机变桨故障/成功叶片气动侧状态进行分析,并利用双向弱流固耦合及曲屈分析对典型方位角下变桨故障叶片展开研究。结果显示：切出风速下变桨故障叶片挥舞力矩平均值为变桨成功叶片的13.8倍,且前者的流场尾迹更为明显。此外,180°方位角变桨故障叶片较之0°方位角变桨故障叶片应力及叶尖位移分别减小29.8%和32.7%,一阶屈曲因子增加20.2%。     

基于流固耦合的风力机叶片模拟分析

文章选取风轮直径为2 m的水平轴风力机为研究对象,采用数值模拟计算的方法研究叶片在不同工况下的位移及应力/应变。研究结果表明:气动载荷使叶片产生挥舞方向的变形,且在展向上有较大幅度的位移;随着风轮转速的增加,叶片的位移有明显的增加,沿弦向前缘压力大于后缘的压力,沿展向叶根处变形要小于叶尖。     

铺层参数对风力机叶片结构性能的耦合影响分析

依据二阶响应曲面设计原理,构建铺层参数各自不同水平方案。以整体结构性能最优为目标,铺层参数为自变量,叶片强度、刚度为响应变量,采用Design Expert中Box-Behnken试验设计方法进行试验设计,仿真分析叶片静强度和刚度;经多元线性回归分别建立铺层参数与Tsai-wu失效因子、最大位移之间的二阶耦合映射关系,并对数学模型及回归系数进行显著性检验;分析单一铺层参数和两两交互作用对叶片结构性能的影响,获得性能优化的铺层参数取值,验证方法的正确性和有效性。     

基于机器视觉的风力机叶片故障检测技术研究

针对运行中的风力机叶片，提出一种基于机器视觉特征分类的故障诊断方法。通过对叶片叶尖进行圆形标记，利用工业相机周期性获取叶片尖端的图像，并在Halcon软件上对图像进行预处理，对大雾天气下采集的图像利用暗通道除雾算法进行清晰化处理。利用叶尖标记检测算法提取标记、计算区域圆度和区域中心等区域特征。对相邻叶片上标记计算位移差，并与系统预警阈值比较，判断叶片在扭转或偏摆方向的变形程度和故障趋势，从而实现风力机叶片变工况运行状态在线检测和自适应预警。     

基于弯扭耦合的自适应风力机叶片设计

探讨了叶片耦合设计的有限元方法.分别运用偏轴碳纤维粱帽与蒙皮两种结构,对1.5MW叶片进行了弯扭耦合等综合参数的设计与评估.分析结果表明,两种方法均能使叶片产生高效的弯扭耦合;但叶片各层纤维的最大拉伸与压缩应变会随偏轴角的增加而增大,最大层间剪切应力也增大,而最大Von Mises应力则会相应下降;同时分析了叶片固有频率随偏轴角的变化,最后将中轴铺层设计运用于叶片非耦合结构中,提高了叶片的抗疲劳性.     

基于流固耦合的风力机叶片变形研究

文章利用ANSYS Workbench中的Fluid Flow(CFX)与Transient Structural平台对实木和环氧树脂材料叶片进行双向流固耦合数值模拟,分析了流固耦合作用下风力机叶片的变形情况和叶片变形对风力机尾迹流场和输出功率的影响。分析结果表明:在额定风速下,叶尖位置变形最大,实木材料叶片的最大变形量为18.72mm,远大于环氧树脂材料叶片的最大变形量(4.88 mm),随着风速的增大实木材料叶片变形更明显;实木材料叶片风力机的尾迹叶尖涡涡量较大,尾迹速度扰动更加强烈,速度亏损也较多,风轮输出功率较大。     

基于进化策略的海上风电支撑结构多参数同步优化设计

针对典型海上风电场3 MW固定式三桩单立柱风力机支撑结构主尺度优化问题,文章采用参数化建模方式进行力学建模,在有限元分析的基础上,结合生物进化策略,以风机塔顶位移、结构最大Mises应力为限制条件,以减小支撑结构整体体积为优化目标,对海上三桩单立柱风力机支撑结构主尺度参数进行多参数同步优化设计。研究结果表明:在保证风机塔架刚度和结构强度的前提下,通过结合有限元分析与进化策略对风机主尺度参数进行同步优化,风机支撑结构整体体积明显下降,优化效果明显。该多参数同步优化设计方法可为海上风电固定式支撑结构设计提供参考。     

含裂纹损伤叶片在切变来流下的应力耦合性分析

针对含裂纹损伤风力机在运行过程中产生的失效现象，将切变来流作为入口条件，基于流固耦合原理，分析含不同形式裂纹损伤的风力机叶片应力分布规律。通过无人机现场实验得知，裂纹主要集中于叶根（r/R=0.10截面）和叶中（r/R=0.50截面）后缘部位。单叶片在30°方位角时应力最大，额定风速下分布于叶根的裂纹受力最大，为33.34 MPa。强风风速下分布于叶中的裂纹受力最大，为44.31 MPa。重力载荷主要影响叶根部位的受力，气动载荷则主要作用于叶中，风速越大，叶中部位的裂纹越容易产生扩展。同时，沿弦向分布的裂纹，其扩展趋势最强。对于叶根处裂纹而言，若使叶片产生失效，裂纹长度需达到弦长的1/2、深度需达到叶片厚度的1/2；对于叶中处裂纹而言，若使叶片产生失效，裂纹长度需达到弦长的3/8、深度需达到叶片厚度的1/3。