風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片內(nèi)部梁的拓?fù)鋬?yōu)化

摘 要：目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)正朝著大功率、大型化、輕量化發(fā)展，形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化對于結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有一定的局限性，隨著拓?fù)鋬?yōu)化的發(fā)展，設(shè)計人員可以從根本上改變材料布局，更大程度地減輕結(jié)構(gòu)重量，可以為風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：輕量化；拓?fù)鋬?yōu)化；風(fēng)力機(jī)葉片

葉片在外部載荷的作用下旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機(jī)工作，是風(fēng)力機(jī)的最重要部件之一。葉片內(nèi)部的支撐梁作為支撐件，主要作用是保持翼型和承受葉片扭轉(zhuǎn)載荷。隨著風(fēng)機(jī)向大功率方向發(fā)展，葉片尺寸也逐漸增大，隨著尺寸增大質(zhì)量也逐步增加，質(zhì)量增加會對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)造成很大的負(fù)擔(dān)，故需要進(jìn)行輕量化。由于蒙皮厚度由載荷決定，并且蒙皮還需要保持一定的形狀，故只對內(nèi)部支撐梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，減少梁的材料布局，達(dá)到輕量化的目的[1]。

1 拓?fù)鋬?yōu)化簡介

拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種，拓?fù)鋬?yōu)化相對于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，具有更多的設(shè)計自由度，能夠獲得更大的設(shè)計空間，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化最具發(fā)展前景的一個方面。拓?fù)鋬?yōu)化的本質(zhì)是利用能量原理，求出給定條件下使結(jié)構(gòu)剛度最大的最優(yōu)材料分布模式，也就是結(jié)構(gòu)的最理想的“傳力路徑”，從而實現(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)重量或優(yōu)化結(jié)構(gòu)的某些性能。拓?fù)鋬?yōu)化方法的主要思想不是直接尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)?，而是轉(zhuǎn)化尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料的分布問題。

2 風(fēng)力機(jī)葉片模型的建立

葉片設(shè)計包括氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分[2]。葉片外形決定葉片氣動性能，結(jié)構(gòu)則決定其承載能力。目前，葉片氣動設(shè)計主要用葛勞渥特的經(jīng)典葉素-動量法，這種設(shè)計方法是在葉素動量理論基本算法基礎(chǔ)上加上兩種修正，以保證獲得更好的計算結(jié)果，第一項修正成為普朗特葉尖損失系數(shù)，修正葉片數(shù)無窮的假象；第二項成為葛勞渥特修正，當(dāng)軸向誘導(dǎo)因子a約大于0.4時，推力系數(shù)與軸向誘導(dǎo)因子之間的經(jīng)驗公式[3]。本文借助MATLAB和ANSYS軟件對100KW風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行設(shè)計。葉片截面結(jié)構(gòu)圖、葉片模型如圖1、2所示。

3 拓?fù)鋬?yōu)化

以最小柔度作為優(yōu)化目標(biāo)，體積作為約束函數(shù)，選取一段葉片，只對主梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，經(jīng)過30步迭代，得到優(yōu)化后梁的密度云圖。進(jìn)入后處理模塊，查看變形圖。對比優(yōu)化前后的變形圖，優(yōu)化后葉片性能有所改善。

圖3為拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖，紅色部分為優(yōu)化后留下的部分，藍(lán)色部分為去掉部分。

圖4、圖5分別為優(yōu)化前后葉片的變形圖。

4 結(jié)論

拓?fù)鋬?yōu)化前變形量為0.265e-3m，優(yōu)化后變形量為0.261e-3m，在梁質(zhì)量減小40%的情況下，葉片變形量有了小幅的減小，減小了葉片的變形程度，從而證明上述方法對改進(jìn)葉片靜態(tài)特性是有效的。

通過折衷規(guī)劃法和功效函數(shù)法，以柔度最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，建立合理的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用CAE分析軟件Ansys中的Topological Opt優(yōu)化模塊對風(fēng)力機(jī)葉片梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到梁的最佳材料分布。對風(fēng)力機(jī)葉片梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提供了理論指導(dǎo)，大大提高了風(fēng)力機(jī)葉片梁的設(shè)計效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]印長磊，王英玉.飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)型式的拓?fù)鋬?yōu)化[J].江蘇航空，2014，3（138）：8-10.

[2]趙丹平，徐寶清.風(fēng)力機(jī)設(shè)計理論及方法[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012（01）：73-73.

[3]漢森（著），肖勁松（譯）.風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)[M].北京：中國電力出版社，2009（06）：41-42.

[4]饒柳生，侯亮，潘勇軍.基于拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)床立柱筋板改進(jìn)[J].機(jī)械設(shè)計與研究，2012，26（01）：87-92.

作者簡介：潘福強(qiáng)（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向：先進(jìn)制造工藝、裝備及其自動化。