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复合纤维风力机叶片多相材料结构拓扑优化设计与应用

牛磊  
【摘要】:叶片铺层设计是一个多相材料、多参数、多目标的复杂过程,现有的研究难以满足设计要求。不同复合纤维和软夹芯材料的空间布局将产生不同的叶片蒙皮拓扑结构、纤维含量、性能和质量。随着风轮向单机大功率、轻量化、高性能、低成本的方向发展,对叶片的性能和重量也提出了更高的要求,迫切需要进一步充分发挥材料空间布局的可设计性潜力。针对叶片特定的结构、受力载荷和制造约束,拟将复合材料层合板理论与多相材料拓扑优化方法交叉融合,采用理论分析、数学建模、算法求解、数值仿真等相结合的方法对叶片进行多相材料拓扑优化。为此,在满足叶片的静强度设计的基础上,研究叶片的轻量化设计。论文完成的主要工作有:阐述结构拓扑优化设计国内外研究现状,根据复合纤维层合板的理论知识和多相材料拓扑优化方法,提出了融合ICM方法和序列二次规划算法的风力机叶片多相材料拓扑优化方法。论文采用Box-Behnken试验设计方法,设计试验方案,在ABAQUS中仿真不同试验方案得出Tsai-wu失效因子;依据多元线性回归分析和方差分析法,以铺层参数为设计自变量,叶片Tsai-wu失效因子为衡量叶片静强度的响应指标,建立了铺层参数与响应指标的映射函数关系式,并检验了各铺层参数、铺层参数交互项及数学模型对叶片静强度的显著性。在此基础上采用数值优化得到满足叶片静强度的铺层参数较优值。为获得重量较轻的叶片,在满足叶片的静强度的基础上,基于独立连续映射法,建立了风力机叶片拓扑优化数学模型,并应用序列二次规划算法进行求解,得到了复合纤维和软夹芯材料合理的空间布局,叶片总质量减重166kg,实现了叶片轻量化目标。基于等代设计法,对优化后叶片的拓扑结构进行了局部调整再设计;经校核,再设计后叶片的静强度满足设计要求。验证了方法的有效性和可行性。论文研究成果为大型复合纤维风力机叶片的结构铺层设计和轻量化提供了参考依据。


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