基于参数建模的风力机预弯叶片结构优化设计

风力机预弯叶片的弯曲型线和铺层结构设计之间存在着耦合关系.为了实现叶片预弯型线和铺层结构的一体化设计,提出一种预弯型线和铺层结构的参数化表达方法,并通过实例验证了叶片有限元参数化建模分析方法的正确性;构建了预弯叶片弯曲型线和铺层结构的一体化优化设计模型,采用粒子群算法,以叶片的质量最小为优化目标,在满足材料强度、叶尖最大变形、振动频率的约束条件下,对某低风速850k W非预弯叶片进行预弯及铺层层数优化设计.优化结果显示,优化叶片在满足设计约束的条件下重量减少了15.26%,验证了文中提出的预弯叶片弯曲型线及铺层结构协同优化设计方法的正确性.     

钢箱梁斜拉桥结构参数敏感性分析

为保证钢箱梁斜拉桥成桥后的线形和内力满足设计要求,以某跨海斜拉桥为工程依托,采用MIDAS/Civil有限元软件建立全桥空间杆系模型对相关设计参数进行敏感性分析,研究主梁自重、斜拉索索力、施工临时荷载等结构参数对成桥状态的主梁应力、主梁线形和拉索索力的敏感程度。结果表明:主梁自重和斜拉索二次张拉索力对成桥状态的结构行为有显著影响,属于敏感性因素;主梁应力和斜拉索索力对结构参数的敏感程度低于主梁线形。研究结果可为确定监控关键控制量、结构参数识别以及误差修正提供科学依据,也对其他类似桥梁工程具有借鉴意义。     

水平轴风力机风轮叶片优化设计模型研究

提出了风力机风轮叶片的优化设计模型,该模型考虑了风场风速的概率分布,以风力机年能量输出最大为设计目标,使用遗传算法进行搜索寻优.利用开发的优化设计程序,设计了1.3 MW风力机的叶片.与已有风力机相比,设计结果显示了明显的优越性,从而说明了该优化设计模型的有效性和实用性.     

风力机叶片断面的几何参数分析

针对风力机叶片内部的结构形式,采用薄壁结构力学多闭式理论,对某种风力机叶片结构进行简化和分析,建立几何模型,利用MATLAB进行编程计算,得到叶片断面的弯扭特性参数.分析结果表明,风力机叶片断面的扇性静矩分布并不均匀,在叶片断面头部的值较小,尾部的值较大,容易造成叶片后缘失稳.在风力机叶片结构设计时,要提高叶片后缘部分的设计参数,以满足叶片的结构强度、刚度及稳定性要求.     

多兆瓦级风力机叶片的优化设计与动力学特性分析

考虑实际气流流动过程中周向速度的变化情况,即采用Schmitz理论来设计2 MW风力机叶片的气动外形.将计算得到的叶片翼型参数进行坐标变换,获得各个截面上叶素的三维坐标,利用三维建模软件建立叶片的三维实体模型,并将其导入至有限元分析软件中,进行模态特性和气动弹性分析.讨论了不同铺层厚度和铺层角度对叶片模态特性和气动弹性的影响规律.仿真结果显示:在铺层厚度为0.6mm和铺层角为60°时,叶片具有较好的模态特性;叶片所受的气动集中载荷随着叶片弦长几乎成线性增长,且在弦长最大时集中载荷最大;当铺层角等于44°时,叶片在气动载荷作用下的最大集中应力最小,具有最佳的气动弹性特性.     

基于参数化建模的风力机叶片性能分析

针对现有850kW风力机叶片,分析其材料、结构及铺层状态,对比传统叶片有限元模型,将描述叶片主要结构的弦长、扭角采用分段函数形式表达,采用MATLAB编程并结合ANSYS二次开发建立风力机叶片参数化几何模型.基于动量-叶素理论的BLADED软件计算叶片各截面处的极限载荷,并于叶片分段施加载荷增量.动力学分析得到叶片前三阶挥舞和摆振频率及一阶扭转频率,其与实测固有频率比较,分析并验证叶片于共振区外运行.静力分析得到叶片挥舞位移及关键部位应力分布,通过最大应力准则和蔡-胡(Tsai-Wu)准则对翼面进行强度校核(其他部位同理校核),表明叶片在极限状态下仍能保持安全运行.该研究描绘了叶片主要力学性能,为叶片进一步优化奠定了基础.     

大型风力机叶片三维建模及模态分析

对大型风力机叶片开展了三维建模和模态分析。先确定叶片几何参数,再将其翼型平面坐标转换为空间坐标,并通过Proe生成叶片三维几何模型。采用模态提取方法 Block Lanczos法对叶片进行模态分析,得出了叶片的前10阶模态,结果显示叶片的主要振动形式为挥舞和摆振,有较强的抗扭转能力,设计中应加强叶片的弯曲刚度。这为大型风力机叶片的设计和优化提供参考。     

腹板铺层参数对风力机叶片结构性能的影响

为研究腹板铺层参数对风力机叶片结构性能的影响。以某1.5 MW水平轴风力机叶片为研究对象,基于有限元分析方法,利用ANSYS软件中梁单元模拟腹板铺层,保持叶片前缘、后缘以及梁帽的铺层形式不变,通过改变腹板铺层角度、顺序和不同铺层角度的层数占整个铺层层数的比例,得到多种研究方案,并对不同方案时的叶片进行模态分析。结果表明:腹板±45°铺层较其他铺层角度能够更好的承受剪切载荷;腹板铺层角度应以±45°为主,且±45°铺层占整个铺层的58%左右时叶片结构性能最好;为了减小各层之间的剪切应力,应避免0°铺层和90°铺层连续铺放。     

风力机叶片与整机的预应力振动模态分析

为了研究10 kW水平轴风力机叶片及整机的振动情况,通过建立其模态分析计算模型和预应力模态分析计算模型的方法,对旋转叶片施加风载荷和旋转离心力,在完成网格划分、载荷与约束条件的添加后,进行了预应力下的振动模态分析,并将几种工况下的固有频率进行了对比并得出结论.结果表明：仅有风载荷工况时,叶片和整机的固有频率基本没有变化;当同时有风载荷和旋转离心力时,随着风速的增加,固有频率有比较明显的增加,但当风速达到一定程度时,不再发生变化.     

低速永磁风力发电机的参数分析及优化设计

文章讨论了低速永磁同步风力发电机的设计特点,为了有效地减少阻力矩,采用分数槽绕组,为减少漏磁通,采用瓦片型和放射状的永磁体安装结构,并重点对结构参数与运行性能之间的内在关系进行了参数分析,为风力发电机本体的优化设计打下基础.在一定安装尺寸的限制下,以电机效率作为优化目标,采用基于混沌理论的最优化算法获取风力发电机的最大...     

基于叶素动量理论的水平轴风力机叶片设计方法

针对叶素动量理论在实际运用中存在的问题,对叶素动量理论进行较系统的分析,认为其有两种计算模型.以模型Ⅰ为例,提出两种计算流程,建立以风轮运行风速范围内风能利用系数最大,以叶片弦长、叶尖速比为设计变量的优化设计模型,计算中考虑分段叶尖损失计算方法.针对8kW水平轴风力机叶片的计算表明,计算方法稳定、可行.根据设计要求,对叶片弦长、叶尖速比进行优化设计.通过计算获得叶片结构参数和叶片性能参数随叶片展向、风速的变化关系,同时获得风力机的最佳运行风速范围.计算结果可为风力机叶片设计和评估提供参考.     

大型风电长叶片气动外形的高效低载三维设计

海上风力机等大型风电设备叶片较长，所承受气动载荷较大，易产生变形，影响气动性能和运行稳定性。针对这一问题，以美国NREL实验室的5 MW大型风电叶片为例，对其进行以各截面翼型形线、安装角及额定功率下桨距角为设计变量的高效低载三维优化。优化基于动量叶素理论和多岛遗传算法，以叶根弯矩最低和风能利用率最大为优化目标，并将优化叶片与原始叶片于变桨、变风况下的气动性能进行对比。结果表明：在设计工况下，相较于原始叶片，优化叶片在保证高气动效率的同时叶根弯矩降低了5%；变风况条件下，变桨前优化叶片的风能利用率平均提升了1%，叶根弯矩平均降低了5.8%，变桨后优化叶片的叶根弯矩平均降低了4%。     

风电叶片全尺度静力试验加载力布置优化

静力试验是风电叶片全尺度检测的必备环节,为了提高试验中弯矩分布精度,基于引入叶片自重的弯矩计算模型,提出了一种用于加载力布置的变参型粒子群优化算法。首先,研究了不同加载点数加载力布置的弯矩分布特性,结果表明弯矩分布精度与加载点数正相关,且对加载位置极其敏感。其次,通过动态更新学习因子和惯性权重,并引入概率0. 2的粒子变异,改进了粒子群算法,提高了算法收敛性和搜索平衡性,尤其提高了叶片叶根和过渡区的弯矩分布精度。最后,基于上述理论开发了一套静力试验加载力布置软件,取得了很好的工程应用效果。     

复合材料风电叶片结构强度非线性分析

以100 kW风电叶片为对象,建立了叶片复合材料结构非线性三维有限元模型.依据德国船级社GL规范的要求,在叶片有限元模型上分别施加4个方向极限载荷,分析了叶片应变和安全因子分布,同时对比分析了叶片线性和非线性屈曲稳定性.结果表明:在挥舞载荷下,较大的展向应变主要分布在叶片根部圆柱段与最大弦长之间的过渡段和叶片中部区域,叶片的第1阶线性和非线性屈曲均发生在靠近叶片尖部梁帽位置,采用非线性分析方法比线性方法更加保守;在摆振载荷下,叶片较大的展向应变主要分布在叶片中部尾缘区域,屈曲分别发生在叶片最大弦长截面的前缘和尾缘位置,采用线性分析方法比非线性方法更加保守.在4个方向的极限载荷条件下,叶片第1阶特征值屈曲载荷因子均大于非线性屈曲载荷因子.     

基于PSO算法的定速风电机组三质块传动系统模型参数辨识

为获得传动系统模型的准确参数,提出阵风激励下三质块传动系统模型的参数辨识方法。根据定速风电机组机械动态与电气动态解耦的特性,提出在辨识传动系统模型参数时可忽略电气动态,据此获得定速风电机组的简化模型。采用轨迹灵敏度方法,分析了传动系统各参数的可辨识性及辨识的难易程度。基于粒子群优化算法(PSO)对传动系统模型进行了参数辨识。辨识结果与轨迹灵敏度分析结论一致,验证了提出的参数辨识方法的可行性。     

风力机叶片气动噪声时域分析方法研究

风力机叶片气动噪声影响周边居民生活的问题开始引起研究人员的关注。现有研究大多基于CFD软件或实验数据拟合方法对其气动噪声进行分析,难以适应气动噪声随风速变化的动态分析需求。考虑风力机运行状态、来流风速以及接收点位置的影响,基于传统气动声学理论,建立了风力机叶片气动噪声计算的修正模型,并基于Matlab软件的Simulink模块,运用时域分析方法,对一种2 MW风力机叶片的气动噪声进行了编程计算,并绘制了风力机叶片气动噪声的声压时间序列图,为开发低噪声风力机叶片提供了理论依据。     

风力机叶片极限载荷评价与分析

根据德国GL2010国际标准,运用Bladed软件,对某一850kW的风力机叶片和与之相匹配的风力机发电机组进行建模,并分析其气动额定功率、系统共振等情况,验证叶片运行中的可靠性。分别施加GL标准中的所有工况,对叶片进行仿真计算和比较分析,得到影响叶片气动性能主要是Dlc4.2b、Dlc1.3a等工况,初步建立以叶根载荷为标准的风力机叶片评价体系。此评价体系同样适用于Bladed软件自带的demo叶片模型。以该评价体系为基础,计算850kW叶片叶根处的极限载荷,得到其挥舞极限载荷为353 663N·m,比原设计值小了2.5%,进而验证该叶片在运行中安全可靠,同时,验证了载荷评价体系的可靠性。     

基于频率控制的多约束风电塔优化方法

提出了基于频率控制的多约束单管型风电塔优化方法.塔架简化成悬臂梁结构,其横截面参数作为设计变量,以最小化材料体积为目标函数,按照将塔架设计成刚-刚或刚-柔或柔-柔不同类型的要求设定塔架的固有频率约束,采用专业软件Bladed计算风荷载,按照风电塔规范考虑强度、稳定性和疲劳等约束,这使得优化结构更符合实际设计.考虑到采用Bladed荷载计算工作量很大,整个优化过程分为几个阶段,在每个阶段的开始,以前一个阶段的优化设计作为初始设计,并重新计算结构荷载,在该阶段内于固定荷载下用移动渐近线法(MMA)求解优化问题改进设计,所需的固有频率、强度及疲劳约束灵敏度采用解析法获得.对一现有塔架进行优化以说明方法的有效性.根据塔架固有频率和风机工作转速之间的关系,发展了高风电塔的分类.在此基础上,结合提出的优化方法,可以帮助设计者判定在指定高度和机型下哪种类型塔架更合适,为塔架概念设计提供有价值的参考.     

MW级复合材料风电叶片的振动特性与应力分布

针对目前风电叶片有限元模型存在铺层不合理的问题,以某1.5 MW风电叶片为研究对象,利用Solidworks软件生成叶片三维模型;再将其导入大型有限元软件Abaqus中,按照叶片铺层理论进行分区域铺层,生成叶片有限元模型,使其更接近叶片的真实铺层状况;在有限元数值计算中,分析了叶片的振动特性以及在50 m/s的极限风速下的应力分布特征.结果表明,叶片模型在模态、强度、刚度三个方面均满足设计要求,叶片的危险截面位于距叶尖约13处,应力主要分布于叶片展向的13~23处,且主要承载结构为主梁和腹板.