【摘要】：葉片鋪層設(shè)計(jì)是一個(gè)多相材料、多參數(shù)、多目標(biāo)的復(fù)雜過(guò)程,現(xiàn)有的研究難以滿足設(shè)計(jì)要求。不同復(fù)合纖維和軟夾芯材料的空間布局將產(chǎn)生不同的葉片蒙皮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、纖維含量、性能和質(zhì)量。隨著風(fēng)輪向單機(jī)大功率、輕量化、高性能、低成本的方向發(fā)展,對(duì)葉片的性能和重量也提出了更高的要求,迫切需要進(jìn)一步充分發(fā)揮材料空間布局的可設(shè)計(jì)性潛力。針對(duì)葉片特定的結(jié)構(gòu)、受力載荷和制造約束,擬將復(fù)合材料層合板理論與多相材料拓?fù)鋬?yōu)化方法交叉融合,采用理論分析、數(shù)學(xué)建模、算法求解、數(shù)值仿真等相結(jié)合的方法對(duì)葉片進(jìn)行多相材料拓?fù)鋬?yōu)化。為此,在滿足葉片的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,研究葉片的輕量化設(shè)計(jì)。論文完成的主要工作有:闡述結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,根據(jù)復(fù)合纖維層合板的理論知識(shí)和多相材料拓?fù)鋬?yōu)化方法,提出了融合ICM方法和序列二次規(guī)劃算法的風(fēng)力機(jī)葉片多相材料拓?fù)鋬?yōu)化方法。論文采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,在ABAQUS中仿真不同試驗(yàn)方案得出Tsai-wu失效因子;依據(jù)多元線性回歸分析和方差分析法,以鋪層參數(shù)為設(shè)計(jì)自變量,葉片Tsai-wu失效因子為衡量葉片靜強(qiáng)度的響應(yīng)指標(biāo),建立了鋪層參數(shù)與響應(yīng)指標(biāo)的映射函數(shù)關(guān)系式,并檢驗(yàn)了各鋪層參數(shù)、鋪層參數(shù)交互項(xiàng)及數(shù)學(xué)模型對(duì)葉片靜強(qiáng)度的顯著性。在此基礎(chǔ)上采用數(shù)值優(yōu)化得到滿足葉片靜強(qiáng)度的鋪層參數(shù)較優(yōu)值。為獲得重量較輕的葉片,在滿足葉片的靜強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,基于獨(dú)立連續(xù)映射法,建立了風(fēng)力機(jī)葉片拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型,并應(yīng)用序列二次規(guī)劃算法進(jìn)行求解,得到了復(fù)合纖維和軟夾芯材料合理的空間布局,葉片總質(zhì)量減重166kg,實(shí)現(xiàn)了葉片輕量化目標(biāo)。基于等代設(shè)計(jì)法,對(duì)優(yōu)化后葉片的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部調(diào)整再設(shè)計(jì);經(jīng)校核,再設(shè)計(jì)后葉片的靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了方法的有效性和可行性。論文研究成果為大型復(fù)合纖維風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)和輕量化提供了參考依據(jù)。
【圖文】：

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文開(kāi)發(fā)為標(biāo)志。截止 2018 年底全區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá) 2869 萬(wàn)千瓦，占全國(guó)風(fēng)的 17%[3]，，位居全國(guó)首位；自治區(qū)相關(guān)部門(mén)預(yù)測(cè)到 2020 年內(nèi)蒙古風(fēng)電裝機(jī)到 4500 萬(wàn)千瓦[4]，大型風(fēng)力機(jī)葉片在內(nèi)蒙古地區(qū)具有巨大的市場(chǎng)需求。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行大多處于高風(fēng)速高海拔區(qū)域，環(huán)境極為惡劣。風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵受力情況異常復(fù)雜，承受著大部分的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)載荷，導(dǎo)致葉片在運(yùn)行過(guò)程葉片折斷、表面結(jié)冰和表面裂紋等現(xiàn)象，如圖 1-2 所示。風(fēng)力機(jī)葉片必須具戶外自然環(huán)境下使用的耐侯性與合理的經(jīng)濟(jì)性。所以對(duì)葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，直接影響風(fēng)電產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。論文將在葉到較優(yōu)的基礎(chǔ)上應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

290單位：mm圖 2-1 梁結(jié)構(gòu)Fig. 2-1 beam structure表 2-1 材料的屬性Table 2-1 Properties of materials材料 彈性模量/GPa 泊松比 密度/3kg m 碳鋼 200 0.29 7900鋁 72 0.33 2700算例首先考察懲罰參數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響，當(dāng)懲罰參數(shù) 4時(shí)，優(yōu)化迭代 83步收斂，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)如圖 2-2 所示。從中可以看出拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了材料的合理的空間布局，強(qiáng)相材料碳鋼始終布置在約束位置和施加載荷位置的區(qū)域；弱相材料鋁分布在受力較小的區(qū)域。該算例說(shuō)明采用獨(dú)立連續(xù)映射法進(jìn)行多相材料拓?fù)鋬?yōu)化是可行的。
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM215

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2681985