分析气动载荷作用下复合材料风力机叶片结构优化设计

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1、学兔兔www.xuetutu.com第50卷第9期机械工程学报VO1．50NO．92014年5月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGM『dV2014DoI：10．3901／JME．2014．09．114气动载荷作用下复合材料风力机叶片结构优化设计木汪泉陈进2王君游颖孙金风邬述晖f1．湖北工业大学机械工程学院武汉430068；2．重庆大学机械工程学院重庆400030)摘要：针对复杂构形的复合材料风力机叶片内部结构，采用新设计的2MW风力机叶片，基于等代设计法对其进行复合材料初始铺层

2、设计；建立完整的叶片有限元参数化模型；基于修正的动量叶素理论，提出一种适用于叶片结构设计与优化的新的流固耦合方法；建立叶片优化数学模型，以叶片质量最小为优化目标，以层合板厚度、主梁位置等作为优化设计变量，采用粒子群算法与有限元法结合的策略对复合材料风力机叶片进行优化设计。优化结果表明，相比初始叶片，优化后的叶片质量有了较大的减少，而且以优化设计方案二(叶片主梁位置可变作为优化设计变量之一)的结果尤为明显。该研究对于风力机叶片结构设计及优化具有重要的指导意义，使风力机翼型、叶片及结构参数化一体化设计成为可

3、能。关键词：风力机叶片；铺层设计；有限元；动量叶素理论；粒子群算法中图分类号：TK83；TH12StructuralOptimizationofCompositeWindTurbineBladeunderAerodynamicLoadsWANGQuanCHENJinWANGJunYOUYingSUNJinfengWUShuhui(1．SchoolofMechanicalEngineering，HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068；2．CollegeofMecha

4、nicalEngineering，ChongqingUniversity,Chongqing400030)Abstract：thecompositeplywiththeinternalstructureofthecomplexconfigurationforanew2MWwindturbinebladeisdesignedinitiallybasedonsuchgenerationdesignmethod．ThefiniteelementparametricmodelforthebladeiSestab

5、lishedindetail．Basedonthemodifiedbladeelementmomenmm(BEM、theory,anewfluid—structureinteractionmethodthatissuitableforthedesignandoptimizationispresented．Themathematicaloptimalmodelisdevelopment．Intheoptimizationmodel，theobjectiveistheminimumblademassandt

6、hedesignvariablesarelaminathickness．beamthicknessandSOon．TheoptimalmethodforthecompositebladeiScombinedPSOalgorithmwiththefiniteelementmethod．Theresultsareshowedthat．comparedtotheinitialblade．themassoftheoptimizedbladesiSreducedlargely,andespeciallyforth

7、eresultsofschemetwo(thelocationofbladebeamiSseenasoneofthevariables1isbetter．Thestudyhasimportantguidingsignificanceforthestructuraloptimizationdesignofwindturbineblades．Moreover,thiswillmaketheintegrateddesignofthewindturbineairfoilsbladesandstructureca

8、metrue．Keywords：windturbineblade；plydesign；finiteelementmethod；bladeelementmomentumtheory；PSOalgorithm复合材料风力机叶片结构特性方面的研究，一直是0前言国内外学者研究的热点所在。KARAM等以风力机叶片频率最大作为优化目标函数，忽略叶片弯扭叶片是风力机最重要的结构组件之一，随着风耦合效应，对风力机叶片进行了优化设计研究，并轮直径的增加，水平