水平轴风力机叶片多目标优化设计及结构动力学分析

论文摘要

本文针对国家科技支撑计划子课题“风电机组叶片气动优化设计和结构动力分析”,探讨了能满足风力机叶片气动、结构和稳定性要求的多目标优化方法。通过对不同展向上翼型的相对厚度、弦长等外形参数的优化计算,得到了能使功率利用系数Cp值达到预定目标的气动优化设计结果;考虑结构和制造工艺性要求,修正了气动外形。并对优化后的叶片进行了载荷计算,使叶根载荷得到了降低,并对其进行强度分析。论文的主要内容如下:综合考虑叶片气动性能和载荷情况,即除要保证风力机叶片有良好的气动外形之外,还要兼顾稳定性和结构强度等性能指标,对叶片的整体性能进行多目标优化。叶片的优化设计,是以叶片各展向截面的相对厚度、弦长和扭角为设计变量,建立了多目标优化的数学模型。基于遗传算法思想并利用MATLAB软件,实现了叶片的多目标优化设计。同时,采用该方法对1.5MW风力机叶片进行了优化设计,并与已运行的某商用机型做出对比,以验证该方法的有效性。在FLUENT软件的GAMBIT前处理模块中建立了叶片的三维实体模型,并将建好的风力机叶片模型导入ANSYS软件中进行了模态分析,针对玻璃钢/复合材料的特点进行单元网格划分、施加一定的约束,得到前十阶振型的频率和振型。同时,研究了科里奥利力对叶片模态分析的影响。基于GL坐标系,计算了风力机稳态下的气动力、重力、离心力;以1.5MW水平轴风力机的叶片为例,借助于Bladed for Windows软件,计算了叶片上关键截面处的载荷。并找出根部的最大载荷,在ANSYS软件中进行有限元分析,得出此载荷作用下的变形图及应力云图。安全系数确定后,对其进行静强度校核。根据IEC61400-1标准,拟定了1.5MW水平轴风力机运行的各种工况,分别计算出各工况下的载荷,在Bladed for Windows软件的后处理模块中提取出最大载荷及其所对应的工况,可据此对风力机叶片的强度进行校核。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 全球风电发展现状
• 1.1.2 我国风电发展现状
• 1.1.3 风力机技术的发展现状
• 1.1.4 风力机设计软件现状
• 1.1.5 本课题的意义
• 1.2 本文的主要工作
• 第二章 水平轴风力机设计理论
• 2.1 风轮总体参数
• 2.2 水平轴风力机气动设计理论
• 2.2.1 动量理论
• 2.2.2 叶素理论
• 2.2.3 有限叶片数影响
• 2.2.4 叶尖损失修正
• 2.2.5 轮毂损失
• 2.2.6 叶栅效应
• 2.2.7 失速修正
• 2.2.8 片条理论
• 2.3 Glauert优化设计方法
• 2.4 Wilson方法
• 2.5 气动性能计算理论
• 第三章 风力机叶片多目标优化设计
• 3.1 多目标优化设计概述
• 3.2 多目标优化的求解问题
• 3.2.1 评价函数法
• 3.3 遗传算法简介
• 3.4 基于遗传算法的叶片多目标优化
• 3.4.1 目标函数的确定
• 3.4.2 设计变量
• 3.4.3 约束条件
• 3.4.4 收敛条件
• 3.4.5 流程图
• 3.5 1.5MW叶片优化实例
• 3.5.1 设计参数
• 3.5.2 设计中应该注意的问题
• 3.5.3 设计结果
• 3.5.4 不同设计模型的性能对比
• 第四章 叶片建模及模态分析
• 4.1 叶片建模
• 4.1.1 翼型曲线插值生成方法
• 4.1.2 叶片截面翼型曲线坐标求解方法
• 4.1.3 生成翼型截面
• 4.2 叶片动力特性方程的建立及求解
• 4.2.1 叶片有限元动力特征方程
• 4.2.2 叶片有限元模型的建立
• 4.2.3 玻璃钢、符合材料力学特性
• 4.2.4 约束条件和模态方程求解
• 4.3 1.5MW风力机叶片模态分析结果
• 4.4 科氏力对叶片模态分析的影响
• 4.4.1 叶片上科氏加速度的计算
• 4.4.2 科氏力对叶片频率的影响
• 4.4.3 有限元法求解实体频率及振型
• 第五章 叶片载荷计算及强度分析
• 5.1 坐标系统确定
• 5.2 载荷分析
• 5.2.1 气动载荷
• 5.2.2 重力引起的载荷
• 5.2.3 离心力引起的载荷
• 5.3 安全系数
• 5.4 1.5MW叶片载荷分析实例
• 5.4.1 分析依据
• 5.4.2 叶片模型
• 5.4.3 载荷计算所需的初始参数
• 5.4.4 稳态载荷计算
• 5.4.5 动态载荷计算
• 5.5 静态强度校核
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文情况
• 个人简历