【摘要】：葉片作為大型風力機的核心部件,其多學科、多準則耦合優(yōu)化設(shè)計一直是研究的重點。大型風力機葉片設(shè)計是復(fù)雜的多目標優(yōu)化問題,目前工程上都采用“氣動設(shè)計-結(jié)構(gòu)設(shè)計-驗證-改進”的流程化設(shè)計思路,將葉片的氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計分開,依靠經(jīng)驗來實現(xiàn)眾多變量、目標和約束之間的協(xié)調(diào),獲得的是可行解,而不是最優(yōu)解,更無法實現(xiàn)與整機的最佳匹配。因而,通過改進設(shè)計方法,實現(xiàn)葉片的最優(yōu)化設(shè)計,并立足于整機的匹配性改善來提升風力機的經(jīng)濟性,對我國乃至世界風能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都有重要的意義。本文致力于解決大型風力機葉片氣動-結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)難點,通過提出高性能的約束多目標進化算法,發(fā)展葉片參數(shù)化模型,建立適合于優(yōu)化的葉片氣動計算方法和整機動力學計算方法,形成一套高效的大型風力機葉片氣動-結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計方法,并開展了大型風力機葉片的高性能設(shè)計和驗證。主要開展的研究工作包括:針對多目標優(yōu)化設(shè)計對高性能優(yōu)化算法的迫切需要,通過在多目標進化算法框架下構(gòu)建Utopia參考向量系,利用當前種群最優(yōu)解集的分布特性來構(gòu)建錨點、Utopia平面和Utopia向量等關(guān)鍵要素,巧妙地克服了傳統(tǒng)的“外圍區(qū)域”投影問題,實現(xiàn)將經(jīng)典算法中優(yōu)秀多樣性維持策略與進化算法高效耦合。再通過自主構(gòu)建聚合適應(yīng)度分配、種群關(guān)聯(lián)等機制,結(jié)合強非支配分層策略、Latin超立方初始種群生成技術(shù)等與之匹配的高效算子,以及強調(diào)局部探索和開發(fā)能力的領(lǐng)域選擇、SBX交叉和多項式變異等技術(shù),發(fā)展了一種基于向量引導(dǎo)的高效多目標進化算法,稱為單參考向量系多目標進化算法(SRS-MOEA)。在對多個系列測試函數(shù)的分析表明,SRS-MOEA在處理單形特征、連續(xù)陣面優(yōu)化問題時,能夠通過一次優(yōu)化獲取均勻分布的完整Pareto最優(yōu)解集,極好地維持了種群的多樣性,并大幅地提高了算法優(yōu)化效率。對于復(fù)雜最優(yōu)陣面和約束優(yōu)化問題,通過設(shè)立雙重無量綱Utopia參考向量系,建立了向量系之間動態(tài)耦合策略,再結(jié)合自主構(gòu)建的新型聚合適應(yīng)度分配、強非支配分層、種群關(guān)聯(lián)等策略和機制,集成了強調(diào)局部探索和開發(fā)能力高效算子,增加了高效約束處理機制,形成了多參考向量系多目標進化算法(MRS-MOEA)。測試結(jié)果表明,MRS-MOEA在處理復(fù)雜陣面、大量約束、小種群及高維優(yōu)化時都顯示出了很強應(yīng)對能力,為葉片反設(shè)計方法提供了可靠的高性能優(yōu)化算法。自主開發(fā)了大型風力機葉片極限載荷計算方法和平臺。以團隊自主開發(fā)的Hawt Cad大型風力機設(shè)計輔助軟件包為基礎(chǔ),集成風力機氣動彈性計算方法、設(shè)計載荷工況生成方法和極限載荷分析方法,依據(jù)大型風力機國際設(shè)計標準,建立了適合于大規(guī)模并行計算的葉片極限載荷計算方法和程序平臺,并以一款2MW葉片的極限載荷計算為例,驗證了本計算方法的計算精度和可靠性。發(fā)展了高性能的大型風力機葉片多目標優(yōu)化設(shè)計方法。開展了葉片的參數(shù)化建模;針對主要設(shè)計目標和關(guān)鍵約束條件建立了數(shù)學模型;結(jié)合高性能多目標進化算法和葉片極限載荷計算方法,建立了適合于葉片的氣動-結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計方法。基于此方法,開展了1.5MW大型風力機葉片的兩目標、三目標和四目標優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化結(jié)果表明,大型風力機葉片多目標設(shè)計是復(fù)雜的連續(xù)陣面優(yōu)化問題,本方法能夠高效地實現(xiàn)收斂,通過一次優(yōu)化就獲得了大量的、均勻分布的綜合最優(yōu)解;所設(shè)計的大型風力機葉片實現(xiàn)了氣動和結(jié)構(gòu)的最優(yōu)匹配,其氣動效率和力學性能分別在風洞試驗和有限元校核中得到了確認。
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【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM315;TP18

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王瓏;王同光;吳江海;羅源;;基于改進NSGA-Ⅱ算法的風力機葉片多目標優(yōu)化設(shè)計[J];南京航空航天大學學報;2011年05期

2 胡士山,陳嚴,葉枝全;風力機優(yōu)化設(shè)計的 DSFD 方法[J];太陽能學報;1997年02期

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本文編號：2469359