風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)★

章游游 鄭玉嬌 陳雨嫣 孫梅梅 湯嘉勉 朱 杰

(嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

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·機(jī)械與設(shè)備·

風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)★

章游游 鄭玉嬌 陳雨嫣 孫梅梅 湯嘉勉 朱 杰

(嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

通過建立某1.5 MW葉片有限元模型，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到了材料最佳拓?fù)浞植夹问剑⑻岢隽烁倪M(jìn)結(jié)構(gòu)形式的概念設(shè)計(jì)方案，可為葉片新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或改進(jìn)提供參考。

風(fēng)力機(jī)葉片，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，拓?fù)鋬?yōu)化，有限元模型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的一個(gè)中心環(huán)節(jié)，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在其中占有相當(dāng)重要的地位[1]。許多學(xué)者在這方面展開了深入研究[2-5]，但均未從根本上改變?nèi)~片結(jié)構(gòu)形式，無法體現(xiàn)真正意義上的最優(yōu)設(shè)計(jì)。因此，通過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，尋求新型或改進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 葉片有限元模型構(gòu)建

1.1 葉片幾何結(jié)構(gòu)

本文所研究的1.5 MW風(fēng)力機(jī)葉片長37 m，剖面結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，主要包括主梁、腹板、前緣與后緣四部分，在后緣尾緣處鋪設(shè)了加強(qiáng)梁，以提高其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。

1.2 葉片有限元模型

在ANSYS中建立葉片實(shí)體模型，采用Solid95實(shí)體單元對(duì)葉片進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。材料參數(shù)為：彈性模量E=42.2 GPa，泊松比v=0.24，密度ρ=1 910 kg/m3。綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間，單元尺寸大小定為0.1。葉片實(shí)體單元有限元模型見圖2。

1.3 模型載荷及邊界條件

有限元模型載荷為考慮載荷因子為0.5的極限揮舞與極限擺振載荷組合作用工況。將葉片視為懸臂梁模型，并將極限揮舞載荷和極限擺振載荷分別簡化為5個(gè)集中力施加于葉片不同位置，具體加載情況如表1所示。

表1 葉片加載情況

2 優(yōu)化結(jié)果及分析

采用ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化模塊進(jìn)行體積約束下的最大剛度設(shè)計(jì)，設(shè)定體積減少80%，最大迭代次數(shù)為50次。

圖3為葉片整體材料密度分布圖。由于極限揮舞載荷值較大，在拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)起主導(dǎo)作用，因此材料的分布主要集中在葉片上、下表面，形成主梁結(jié)構(gòu)。極限擺振載荷的作用使主梁的位置發(fā)生了一定的偏移。材料在葉片上表面的分布向后緣偏移，在下表面則向前緣偏移。

為了進(jìn)一步說明材料在葉片內(nèi)部的分布情況，選取3個(gè)截面(分別位于25%,50%和75%葉片長度處)進(jìn)行分析，如圖4所示。由圖4可見，葉片材料在上、下主梁上明顯呈非對(duì)稱分布。材料厚度沿葉片展向呈先減小、后增大、再減小的分布趨勢(shì)，這與實(shí)際葉片主梁復(fù)合材料的鋪層厚度分布規(guī)律一致。葉片中段至葉尖處由于主梁厚度減小，為了提高剛度，在上、下主梁之間形成了腹板結(jié)構(gòu)，起支撐主梁作用，并承擔(dān)部分載荷。

從拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可以看出，在極限荷載作用下，主梁是葉片的主要承載結(jié)構(gòu)，腹板對(duì)主梁起支撐作用，前、后緣主要起維持葉片氣動(dòng)外形的作用。這與目前葉片結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)方案相吻合，從拓?fù)涞慕嵌龋?yàn)證了該結(jié)構(gòu)形式的合理性。另外，經(jīng)分析可知，通過合理調(diào)整主梁在葉片上、下緣的布置位置，可有效提高葉片整體剛度。

對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行綜合處理，給出葉片各截面的概念設(shè)計(jì)方案：葉根截面設(shè)計(jì)成圓環(huán)形，以便其能方便的通過螺栓與輪轂進(jìn)行連接；對(duì)主梁進(jìn)行一定的偏置，在上表面向后緣偏置，在下表面向前緣偏置；從葉片中段起至葉尖處布置起支撐作用的腹板，以防止葉片失穩(wěn)和局部變形過大。

3 結(jié)語

將拓?fù)鋬?yōu)化方法引入風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)中，通過建立葉片實(shí)體單元有限元模型，對(duì)其進(jìn)行極限載荷作用下的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得出滿足體積約束的材料最佳拓?fù)浞植夹问剑⑻岢隽烁倪M(jìn)葉片結(jié)構(gòu)形式的概念設(shè)計(jì)方案，可為葉片新型結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)提供參考。

[1] 靳交通,周鵬展.大型水平軸式風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].可再生能源,2009,27(2):65-68.

[2] 馮消冰,黃 海,王 偉.大型風(fēng)機(jī)復(fù)合材料葉片鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2013(3):3-7.

[3] 楊從新,張 強(qiáng).大型風(fēng)力機(jī)葉片盒型主梁主參數(shù)優(yōu)化計(jì)算[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014,40(2):69-72.

[4] 朱 杰,蔡 新,潘 盼,等.風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,43(2):156-162.

[5] 張明輝,宋丹丹,王 海.基于改進(jìn)遺傳算法的風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2015,36(10):179-182.

Structural topology optimization design of wind turbine blade★

Zhang Youyou Zheng Yujiao Chen Yuyan Sun Meimei Tang Jiamian Zhu Jie

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,JiaxingUniversity,Jiaxing314001,China)

The structural topology optimization of a 1.5 MW wind turbine blade is carried out through the establishment of a finite element model. The best material topological distribution form is obtained, and the conceptual design scheme which can improve the structural form is proposed, provide some references for the new structural design or improvement of wind turbine blades.

wind turbine blade, structural design, topology optimization, FEM model

1009-6825(2017)15-0203-02

章游游(1997- )，男，在讀本科生

2017-03-16

TK83

A

★:嘉興學(xué)院大學(xué)生研究訓(xùn)練(SRT)計(jì)劃項(xiàng)目“基于拓?fù)鋬?yōu)化的風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)最優(yōu)體型研究”(編號(hào)：SRT2016C155)