大型風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要集中在葉片的鋪層設(shè)計。開展葉片鋪層的優(yōu)化設(shè)計研究對降低葉片成本、彌補(bǔ)現(xiàn)有計算分析軟件的功能缺陷以及提高葉片的設(shè)計效率具有重要意義。由于在葉片的鋪層設(shè)計過程中,需要考慮的設(shè)計要求多、變量多、目標(biāo)多,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計建模復(fù)雜。尤其是與載荷相關(guān)的極限彎矩、最大葉尖偏移、極限強(qiáng)度等設(shè)計要求的計算復(fù)雜費(fèi)時,需要進(jìn)行深入研究并建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀Ｒ虼?本文將對用于葉片鋪層設(shè)計的優(yōu)化算法以及一些設(shè)計要求展開研究,最終建立一種極限載荷條件下的葉片鋪層優(yōu)化設(shè)計模型,以用于不同的葉片鋪層設(shè)計。完成的研究工作如下： 第一,針對風(fēng)力機(jī)葉片鋪層設(shè)計過程中多目標(biāo)、多約束的特點(diǎn),在作者原有改進(jìn)的單目標(biāo)粒子群算法基礎(chǔ)上,結(jié)合小生境技術(shù),建立了一種改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群算法。測試函數(shù)的計算結(jié)果表明,該算法具有較強(qiáng)的多目標(biāo)尋優(yōu)能力,可以做為風(fēng)力機(jī)葉片鋪層的優(yōu)化設(shè)計工具。 第二,建立了葉片實際鋪層同葉片結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系,并對其進(jìn)行了驗證。驗證結(jié)果表明,PreLayers和PreComp結(jié)合用于葉片的結(jié)構(gòu)特性計算是可行的。另外,采用曲線關(guān)系表示葉片的剛度分布,比采用線性關(guān)系表示,其計算結(jié)果更接近于實驗值。這對以后葉片的有限元建模具有指導(dǎo)意義。而后分析了葉片鋪層參數(shù)對葉片截面剛度的影響和原因。研究表明：在不增加截面質(zhì)量線密度的條件下,將鋪層放在截面厚度越大的位置對揮舞剛度的貢獻(xiàn)越大,這一結(jié)論為葉片的剛度設(shè)計提供了指導(dǎo)。 第三,結(jié)合PreLayers和PreComp程序,編程建立了葉片自振頻率以及葉片質(zhì)量的計算模型,并進(jìn)行了驗證。然后分析了葉片鋪層參數(shù)對一階揮舞頻率的影響。結(jié)果表明,在不增加葉片質(zhì)量的條件下,將葉片鋪層向葉根方向移動將有助于提高葉片的一階揮舞頻率,為葉片頻率設(shè)計提供了指導(dǎo)。 第四,對極限載荷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。得到了攻角α在0.0到90.0度的范圍內(nèi)時,C,-a曲線的理論邊界曲線方程,并對設(shè)計低載翼型提出了新的要求。其次分析得到了較大葉尖速比時(λr≥4),入流角、入流速度與風(fēng)力機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系式,且有當(dāng)局部尖速比越大時,V0→Ωr的結(jié)論。通過進(jìn)一步分析,得到了相比于Cn的增大,轉(zhuǎn)速的增大更易產(chǎn)生極限載荷的結(jié)論。據(jù)此對控制極限載荷提出了相應(yīng)的要求。然后,依據(jù)以上的研究分析結(jié)果,結(jié)合改進(jìn)的PSO算法,建立了一種新的極限載荷預(yù)測模型ELPM。計算結(jié)果表明,ELPM可以用于風(fēng)力機(jī)葉片的極限載荷預(yù)測。最后,基于ELPM模型計算得到的極限載荷,給出了一種簡單合理的最大葉尖偏移以及極限強(qiáng)度的計算方法。 第五,基于以上的研究結(jié)果,建立了一種極限載荷條件下的風(fēng)力機(jī)葉片鋪層優(yōu)化設(shè)計模型。在該模型中,PreLayers程序可以對不同的葉片進(jìn)行參數(shù)化建模；自由變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件可以根據(jù)不同的設(shè)計目標(biāo)和要求進(jìn)行改變；并且該模型能夠考慮大部分的設(shè)計要求,如質(zhì)量、頻率、最大葉尖偏移、極限強(qiáng)度等。模型的應(yīng)用結(jié)果表明,可以將其用于不同葉片的鋪層設(shè)計。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類】：TK83
【文章目錄】：
摘要
Abstract
目錄
圖目錄
表目錄
第一章 引言
    1.1 課題研究背景
        1.1.1 國內(nèi)外風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r
        1.1.2 大型葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的研究現(xiàn)狀
        1.1.3 葉片計算分析軟件現(xiàn)狀與趨勢
    1.2 葉片設(shè)計面臨的新形勢
    1.3 課題主要研究內(nèi)容
第二章 葉片優(yōu)化設(shè)計方法分析
    2.1 粒子群算法介紹
    2.2 改進(jìn)的單目標(biāo)粒子群算法介紹
        2.2.1 基本原理
        2.2.2 約束條件的處理
        2.2.3 計算流程
    2.3 改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法
        2.3.1 多目標(biāo)優(yōu)化問題介紹
        2.3.2 改進(jìn)多目標(biāo)粒子群算法建模
        2.3.3 算法的測試及分析
    2.4 小結(jié)
第三章 葉片結(jié)構(gòu)特性計算及鋪層影響分析
    3.1 葉片截面鋪層的參數(shù)化建模
        3.1.1 葉片截面鋪層的參數(shù)化建模算法
        3.1.2 Prelayers程序驗證
    3.2 葉片截面的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)計算
        3.2.1 葉片截面的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)計算方法
        3.2.2 Precomp程序驗證
    3.3 葉片的質(zhì)量計算
    3.4 葉片的模態(tài)計算
    3.5 葉片剛度的優(yōu)化設(shè)計與鋪層影響分析
        3.5.1 基于葉片鋪層的葉片剛度優(yōu)化設(shè)計建模
        3.5.2 模型應(yīng)用及鋪層參數(shù)影響分析
        3.5.3 改變設(shè)計變量及鋪層參數(shù)影響分析
    3.6 葉片頻率的優(yōu)化設(shè)計與鋪層影響分析
        3.6.1 基于葉片鋪層的葉片頻率優(yōu)化設(shè)計建模
        3.6.2 模型應(yīng)用及鋪層參數(shù)影響分析
    3.7 小結(jié)
第四章 葉片極限載荷分析及預(yù)測建模
    4.1 法向力系數(shù)對極限載荷的影響分析
    4.2 入流速度對極限載荷的影響分析
    4.3 極限載荷預(yù)測建模
        4.3.1 自由變量選取
        4.3.2 載荷計算方法
        4.3.3 約束條件處理
        4.3.4 極限載荷計算流程
        4.3.5 計算結(jié)果與分析
    4.4 風(fēng)力機(jī)葉片最大葉尖偏移的計算
    4.5 葉片的極限強(qiáng)度計算
    4.6 小結(jié)
第五章 極限載荷條件下的葉片鋪層優(yōu)化設(shè)計
    5.1 優(yōu)化設(shè)計建模
        5.1.1 設(shè)計變量
        5.1.2 目標(biāo)函數(shù)
        5.1.3 約束條件
        5.1.4 計算流程
    5.2 設(shè)計實例及結(jié)果分析
        5.2.1 1.5MW風(fēng)力機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計結(jié)果與分析
        5.2.2 3.0MW風(fēng)力機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計結(jié)果與分析
    5.3 小結(jié)
第六章 結(jié)論及展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
主要符號對照表
附錄A
參考文獻(xiàn)
己發(fā)表和待發(fā)表文章
致謝
個人簡歷

【引證文獻(xiàn)】

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2 徐宇;廖猜猜;榮曉敏;王強(qiáng);;氣動、結(jié)構(gòu)、載荷相協(xié)調(diào)的大型風(fēng)電葉片自主研發(fā)進(jìn)展[J];應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué);2013年10期

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本文編號：2847882