【摘要】：葉片作為大型風(fēng)力機(jī)的核心部件,其多學(xué)科、多準(zhǔn)則耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是研究的重點(diǎn)。大型風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)是復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,目前工程上都采用“氣動(dòng)設(shè)計(jì)-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-驗(yàn)證-改進(jìn)”的流程化設(shè)計(jì)思路,將葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分開(kāi),依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)眾多變量、目標(biāo)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(wú)法實(shí)現(xiàn)與整機(jī)的最佳匹配。因而,通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)葉片的最優(yōu)化設(shè)計(jì),并立足于整機(jī)的匹配性改善來(lái)提升風(fēng)力機(jī)的經(jīng)濟(jì)性,對(duì)我國(guó)乃至世界風(fēng)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(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),通過(guò)提出高性能的約束多目標(biāo)進(jìn)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(dòng)計(jì)算方法和整機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法,形成一套高效的大型風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并開(kāi)展了大型風(fēng)力機(jī)葉片的高性能設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。主要開(kāi)展的研究工作包括:針對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)高性能優(yōu)化算法的迫切需要,通過(guò)在多目標(biāo)進(jìn)化算法框架下構(gòu)建Utopia參考向量系,利用當(dāng)前種群最優(yōu)解集的分布特性來(lái)構(gòu)建錨點(diǎn)、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(wèn)題,實(shí)現(xiàn)將經(jīng)典算法中優(yōu)秀多樣性維持策略與進(jìn)化算法高效耦合。再通過(guò)自主構(gòu)建聚合適應(yīng)度分配、種群關(guān)聯(lián)等機(jī)制,結(jié)合強(qiáng)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(qiáng)調(diào)局部探索和開(kāi)發(fā)能力的領(lǐng)域選擇、SBX交叉和多項(xiàng)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(biāo)進(jìn)化算法,稱(chēng)為單參考向量系多目標(biāo)進(jìn)化算法(SRS-MOEA)。在對(duì)多個(gè)系列測(cè)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(wèn)題時(shí),能夠通過(guò)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(duì)于復(fù)雜最優(yōu)陣面和約束優(yōu)化問(wèn)題,通過(guò)設(shè)立雙重?zé)o量綱Utopia參考向量系,建立了向量系之間動(dòng)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(qiáng)非支配分層、種群關(guān)聯(lián)等策略和機(jī)制,集成了強(qiáng)調(diào)局部探索和開(kāi)發(fā)能力高效算子,增加了高效約束處理機(jī)制,形成了多參考向量系多目標(biāo)進(jìn)化算法(MRS-MOEA)。測(cè)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(shí)都顯示出了很強(qiáng)應(yīng)對(duì)能力,為葉片反設(shè)計(jì)方法提供了可靠的高性能優(yōu)化算法。自主開(kāi)發(fā)了大型風(fēng)力機(jī)葉片極限載荷計(jì)算方法和平臺(tái)。以團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的Hawt Cad大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)輔助軟件包為基礎(chǔ),集成風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)彈性計(jì)算方法、設(shè)計(jì)載荷工況生成方法和極限載荷分析方法,依據(jù)大型風(fēng)力機(jī)國(guó)際設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),建立了適合于大規(guī)模并行計(jì)算的葉片極限載荷計(jì)算方法和程序平臺(tái),并以一款2MW葉片的極限載荷計(jì)算為例,驗(yàn)證了本計(jì)算方法的計(jì)算精度和可靠性。發(fā)展了高性能的大型風(fēng)力機(jī)葉片多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。開(kāi)展了葉片的參數(shù)化建模;針對(duì)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)和關(guān)鍵約束條件建立了數(shù)學(xué)模型;結(jié)合高性能多目標(biāo)進(jìn)化算法和葉片極限載荷計(jì)算方法,建立了適合于葉片的氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。基于此方法,開(kāi)展了1.5MW大型風(fēng)力機(jī)葉片的兩目標(biāo)、三目標(biāo)和四目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明,大型風(fēng)力機(jī)葉片多目標(biāo)設(shè)計(jì)是復(fù)雜的連續(xù)陣面優(yōu)化問(wèn)題,本方法能夠高效地實(shí)現(xiàn)收斂,通過(guò)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(jì)的大型風(fēng)力機(jī)葉片實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)的最優(yōu)匹配,其氣動(dòng)效率和力學(xué)性能分別在風(fēng)洞試驗(yàn)和有限元校核中得到了確認(rèn)。
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【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TM315;TP18

【參考文獻(xiàn)】

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(jìn)NSGA-Ⅱ算法的風(fēng)力機(jī)葉片多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2011年05期

2 胡士山,陳嚴(yán),葉枝全;風(fēng)力機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的 DSFD 方法[J];太陽(yáng)能學(xué)報(bào);1997年02期

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本文編號(hào)：2469359