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        風(fēng)力發(fā)電機葉片內(nèi)部梁的拓撲優(yōu)化

        2014-07-09 19:10:24潘福強
        山東工業(yè)技術(shù) 2014年22期

        摘 要:目前,風(fēng)力發(fā)電機正朝著大功率、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,隨著拓撲優(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)力機葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

        關(guān)鍵詞:輕量化;拓撲優(yōu)化;風(fēng)力機葉片

        葉片在外部載荷的作用下旋轉(zhuǎn),帶動發(fā)電機工作,是風(fēng)力機的最重要部件之一。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)機系統(tǒng)造成很大的負擔(dān),故需要進行輕量化。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)部支撐梁進行拓撲優(yōu)化,減少梁的材料布局,達到輕量化的目的[1]。

        1 拓撲優(yōu)化簡介

        拓撲優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種,拓撲優(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。拓撲優(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。拓撲優(yōu)化方法的主要思想不是直接尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲,而是轉(zhuǎn)化尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲問題為在給定的設(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)力機葉片進行設(shè)計。葉片截面結(jié)構(gòu)圖、葉片模型如圖1、2所示。

        3 拓撲優(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,只對主梁進行拓撲優(yōu)化,經(jīng)過30步迭代,得到優(yōu)化后梁的密度云圖。進入后處理模塊,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為拓撲優(yōu)化密度云圖,紅色部分為優(yōu)化后留下的部分,藍色部分為去掉部分。

        圖4、圖5分別為優(yōu)化前后葉片的變形圖。

        4 結(jié)論

        拓撲優(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),建立合理的拓撲優(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)力機葉片梁進行拓撲優(yōu)化,得到梁的最佳材料分布。對風(fēng)力機葉片梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提供了理論指導(dǎo),大大提高了風(fēng)力機葉片梁的設(shè)計效率。

        參考文獻:

        [1]印長磊,王英玉.飛機機翼結(jié)構(gòu)型式的拓撲優(yōu)化[J].江蘇航空,2014,3(138):8-10.

        [2]趙丹平,徐寶清.風(fēng)力機設(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.基于拓撲優(yōu)化的機床立柱筋板改進[J].機械設(shè)計與研究,2012,26(01):87-92.

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

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