一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法与流程

1.本发明涉及机械设计技术领域，具体为一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法。


背景技术：

2.风能是一种清洁、可再生能源，正受到世界各国的重视。随着风力机理论的创新、新材料的应用及生产工艺的提高，风力发电技术的发展日新月异。风力机叶片设计直接影响到风能的转换效率和发电量，对于风电商业利润的产生具有极其重要的意义。叶片翼型及气动外形设计将影响风力机功率特性和气动载荷特性，叶片的刚度特性取决于复合材料结构设计，气动弹性耦合则是揭示了叶片气动性能与结构刚度特性的内在机制。
3.目前对风力机叶片翼型及气动外形、叶片结构布局的研究，多是采用互相独立的串行设计方法，在研究叶片气动力性能和结构刚度特性等单一学科要求的基础上进行改进与优化，获得性能优良的叶片。然而，叶片气动外形设计并没有考虑内部结构的刚度特性，而复合材料结构布局设计在优化阶段也很少考虑气动载荷的影响和耦合关系。主要原因在于缺乏对风力机叶片翼型、气动外形及复合材料结构布局进行系统的研究，没有建立合理的叶片形状和结构布局的参数化数学模型。因此，需要根据风力机功率输出分布特性，充分考虑气动、结构等多学科的耦合机理，设计出适应不同叶片展向站位处的各种高效翼型。将翼型数据、叶片外形参数及内部复合材料结构铺层参数汇集到叶片形状参数化数学模型中，充分利用叶片气动弹性的耦合效应设计出重量轻、捕风效率高的新型风力机叶片。从而建立风力机叶片几何外形参数和内部复合材料铺层结构布局设计的新方法。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，通过全面研究叶片几何外形和结构布局，建立合理的参数化数学模型，基于处理复杂耦合系统的多学科设计优化方法、叶素动量理论、欧拉-伯努利复合材料梁理论，解决了上述背景技术中所提出的问题。
6.(二)技术方案
7.本发明提供如下技术方案：一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，包括叶片，所述复合材料叶片包括叶片壳、两个梁盖和两个剪切腹板，两个所述梁盖相背的一侧分别与叶片壳的内顶壁和内底壁固定连接，两个所述剪切腹板的顶部和底部分别与两个梁盖相对的一侧固定连接。
8.所述设计流程的具体步骤如下：
9.s1、确定风力机叶片设计流程，给定优化设计目标，明确气动与结构子学科的耦合关系。
10.s2、建立叶片几何外形参数化模型。
11.s3、建立叶片复合材料结构布局参数化模型。
12.s4、进行叶片气动弹性稳定性分析。
13.s5、构建近似模型，完成多学科设计优化。
14.优选的，所述步骤s1包括：根据风力机设计输出功率的要求，选定风力机叶片数目、风轮直径、尖速比等总体参数，对描述叶片几何外形、内部结构布局形式及尺寸、复合材料铺层方案的设计变量进行分类和设置。
15.优选的，所述步骤s2包括：
16.1)使用hicks-henne函数、非均匀有理b样条曲线(nurbs)、类型形状函数法(cst)建立翼型形状的参数化数学模型。
17.2)根据步骤1)生成的翼型形状，计算叶素气动特性参数；基于叶素动量理论，结合选定的风力机叶片数目、风轮直径、尖速比等总体参数，按照风能转换效率最大化的要求，确定弦长、扭角沿叶片展向的分布；建立以叶片各截面弦长和扭角展向分布以及翼型形状参数为设计参数的叶片几何外形参数化模型。
18.优选的，所述步骤s3包括：
19.1)叶片结构布局参数包括：叶片壳分段、剪切腹板、梁盖的数量，它们的尺寸以及位置关系。
20.2)叶片结构部件的复合材料铺层布局参数包括：层板的厚度、纤维方向和数量，以及层板的数量和厚度沿桨叶展向长度变化。
21.优选的，所述步骤s4包括：完成气动与结构子学科分析所需的载荷数据差值传递，根据翼型的升力系数、气动中心以及气流动压与附加扭角的相互影响关系，计算叶片扭转发散的临界条件，以及翼型升力与弹性扭角的耦合关系。
22.优选的，所述步骤s5包括：基于气动、结构和气动弹性特性数据集管理，建立代模型建模，试验设计方法采用均匀设计、拉丁方设计等，建模方法包括二阶响应面、偏最小二乘方法和支持向量基神经网络，使用基于群体操作的进化算法，针对连续或非连续设计变量的优化问题，进行系统级优化，完成单目标或者多目标优化设计。
23.优选的，所述步骤s1中气动与结构子学科的耦合关系由叶片几何外形与结构部件尺寸的一致性约束、叶片气动载荷与结构强度刚度和稳定性的约束关系来体现。
24.与现有技术相比，本发明提供了一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，具备以下有益效果：
25.1、该复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，通过建立风力机叶片几何外形、结构及复合材料铺层布局的参数化模型，提高叶片初步设计的效率，其次，通过建立学科性能分析数据集，构造近似模型，提高了计算效率，最后，通过充分利用叶片气动性能与结构特性的相互耦合效应设计出具有结构重量轻、能量转换效率高的风力机叶片。
26.2、该复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，采用多学科设计优化，叶片气动与结构一体化优化设计问题是包含气动和结构两个子学科的系统，利用气动与结构耦合分析方法，建立气动、结构和气动弹性特性数据集，并实施数据库存储管理，基于这个数据集，利用线性和非线性数学建模工具，建立多学科特性的近似模型，在此基础上，利用基于群体操作的进化算法，针对连续或非连续设计变量的优化问题，完成单目标或者多目标优化设计。
附图说明
27.图1为本发明复合材料叶片横截面示意图；
28.图2为本发明风力机叶片结构示意图；
29.图3为本发明复合材料风力机叶片气动与结构一体化设计流程图。
30.其中：1、叶片壳；2、梁盖；3、剪切腹板。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.请参阅图1-3，一种复合材料叶片气动与结构一体化设计方法，包括叶片，复合材料叶片包括叶片壳1、两个梁盖2和两个剪切腹板3，两个梁盖2相背的一侧分别与叶片壳1的内顶壁和内底壁固定连接，两个剪切腹板3的顶部和底部分别与两个梁盖2相对的一侧固定连接。
33.设计流程的具体步骤如下：
34.s1、确定风力机叶片设计流程，给定优化设计目标，明确气动与结构子学科的耦合关系：根据风力机设计输出功率的要求，选定风力机叶片数目、风轮直径、尖速比等总体参数。对描述叶片几何外形、内部结构布局形式及尺寸、复合材料铺层方案的设计变量进行分类和设置。气动与结构子学科的耦合关系由叶片几何外形与结构部件尺寸的一致性约束、叶片气动载荷与结构强度刚度和稳定性的约束关系来体现。
35.叶片设计要确定决定气动效率和结构重量的主要设计参数，决定气动效率的参数有风力机叶片数目，尖速比、翼型形状参数以及叶片的弦长、扭角分布；决定结构重量的主要参数有叶片结构形式、主要材料属性及其铺层厚度。这些设计参数是相互耦合的，基于叶素动量理论和复合材料梁设计原理，综合考虑叶片的气动效率和结构重量要求，建立复合材料风力机叶片气动与结构一体化设计方法。在对叶片进行优化设计过程中的每一迭代步中，都同时考虑气动和结构性能，最终所得的设计结果是同时满足气动、结构要求的全局最优解。图1为复合材料风力机叶片气动与结构一体化设计流程图。
36.叶片翼型设计，基于翼型形状的参数化函数表达式，在升力系数、升阻比、粗糙度敏感性等方面对现有的叶片翼型形状进行改进，叶片气动外形决定了风力机捕获风能的效率，根据风力机功率和风电场情况，选择合适的翼型或设计专用翼型，再来调整叶片外形及尺寸。叶片的基本设计参数包括尖速比、翼型形状参数等。基于计算获得的翼型气动特性数据，利用叶素动量理论，对弦长和扭角沿叶片展向的分布进行优化设计，达到最佳气动效率。
37.s2、建立叶片几何外形参数化模型，1)叶片翼型设计，使用hicks-henne函数、非均匀有理b样条曲线(nurbs)、类型形状函数法(cst)建立翼型形状的参数化数学模型。
38.2)根据步骤1)生成的翼型形状，计算叶素气动特性参数。基于叶素动量理论，结合选定的风力机叶片数目、风轮直径、尖速比等总体参数，按照风能转换效率最大化的要求，确定弦长、扭角沿叶片展向的分布。最终，实现以叶片各截面弦长和扭角展向分布以及翼型
形状参数为设计参数的叶片几何外形参数化模型。
39.叶片几何外形参数化模型。采用几何外形参数化建模，可以在叶片翼型形状、弦长、扭角发生变化时，自动快速准确地建立叶片几何外形模型，大幅提高设计效率。考虑变弦长、变扭角的叶片统一三维外形集成表达式为：
[0040][0041]
其中，(x
b
,y
b
,z
b
)为叶片坐标系中叶片上一点的几何坐标；c(u)为叶片弦长分布函数；β(u)为叶片扭转角分布函数；ψ和ζ分别为各叶素单位翼型的横、纵坐标；c
a.c
为翼型气动中心位置；u为叶片展向相对位置，u∈[0,1]。
[0042]
s3、建立叶片复合材料结构布局参数化模型：1)叶片内部结构布局形式见图1所示，叶片主要结构部件包括：维持叶片几何外形的上、下表面各分段的叶片壳，提供抗剪能力的剪切腹板，承受弯矩的梁盖。叶片壳分段、剪切腹板及梁盖的数量和尺寸作为叶片结构布局参数。
[0043]
3)叶片结构部件由复合材料层板堆叠而成，所有层板都是平衡和对称的，消除了交叉耦合刚度的可能性。为了确保设计变量的连续性，每个层板被建模为具有连续可变厚度的单层板。层板的厚度、纤维方向和数量作为复合材料铺层设计参数，它们在叶片横截面外围是分段常数，而层板的数量和厚度沿桨叶展向长度变化。
[0044]
结构、复合材料铺层设计。具有工字梁和箱式梁铺层复合材料叶片，其中主要的弯矩载荷由剪切腹板两端的梁盖来承受，桨叶外围的层合板用来保持叶片的气动外形。复合材料叶片采用夹层复合材料层合板，由两层薄而硬的纤维增强塑料(frp)层合板包夹一层较厚的低密度夹芯材料而组成。叶片壳体和腹板的表面通常由多轴编织纤维构成，以增加剪切强度；而梁盖包含大量单向纤维以提供主要的抗弯强度。将风力机叶片视为悬臂梁，承受挥舞弯矩、摆振弯矩、轴向偏转和弹性扭转，考虑悬臂梁剪切中心、拉伸中心、质心偏离桨叶变距轴而带来的弯曲、拉伸和扭转的耦合效应。基于欧拉-伯努利复合材料梁理论，可以计算有效梁的正应力和剪应力。使用剪切流方法估算剪切中心和扭转刚度。最后，将有效梁的应力和转换为悬臂梁横截面外围离散化的各层合板的等价面内分布载荷，进而算得层合板铺层内沿主纤维方向应力和应变。
[0045]
叶片复合材料结构布局参数化模型。叶片的结构布局参数包括：每个横截面上的层合板数量、层合板的布局形式和材料种类、腹板的数量、起始和结束的展向位置、梁盖和剪切腹板的弦向位置、层板材料的厚度和铺层组合沿叶片展向长度变化。在叶片横截面内，上、下表面层板布局方案和弦向分段区域的划分是相同的，如图3所示。所有层合板都是平衡和对称的，消除了交叉耦合刚度的可能性。为了确保设计变量的连续性，每个层板被建模为具有连续可变厚度的单层板。
[0046]
s4、进行叶片气动弹性稳定性分析：气动学科所产生的气动力数据形式和结构学科所需要的气动力数据形式存在不一致，且气动计算网格一般较密，节点数多，必须通过插值实现数据之间的传递。结构学科分析后的变形数据也要经处理才能传送给气动学科，实现变形后气动模型的自动建立。根据翼型的升力系数、气动中心以及气流动压与附加扭角的相互影响关系，计算叶片扭转发散的临界条件，以及翼型升力与弹性扭角的耦合关系。
[0047]
气动弹性稳定性分析。基于气动弹性理论，根据由翼型形状确定的升力系数和气动中心、气流动压与附加扭角的相互影响关系，给出风力机翼型扭转发散的临界条件，以及翼型升力与弹性扭角的耦合关系，获得气动弹性载荷重分布的模型。
[0048]
s5、构建近似模型，完成多学科设计优化：基于气动、结构和气动弹性特性数据集管理，建立代模型建模。试验设计方法采用均匀设计、拉丁方设计等，建模方法包括二阶响应面、偏最小二乘方法和支持向量基神经网络。使用基于群体操作的进化算法，针对连续或非连续设计变量的优化问题，进行系统级优化，完成单目标或者多目标优化设计。
[0049]
多学科设计优化。叶片气动与结构一体化优化设计问题是包含气动和结构两个子学科的系统。气动子学科的设计变量包括翼型参数、弦长和扭角沿叶片展向的分布；结构子学科的设计变量包括叶片内部结构布局形式、部件间距和尺寸、复合材料铺层厚度和方向等。利用气动与结构耦合分析方法，建立气动、结构和气动弹性特性数据集，并实施数据库存储管理。基于这个数据集，利用线性和非线性数学建模工具，建立多学科特性的近似模型。在此基础上，利用基于群体操作的进化算法，针对连续或非连续设计变量的优化问题，完成单目标或者多目标优化设计。
[0050]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。