压气机叶型气动优化设计研究

以clark-y叶型为研究对象,选择其升阻比作为优化目标函数,采用响应面优化设计方法对其进行优化设计.首先用B样条曲线结合响应面优化方法对clark-y原始叶型进行拟合;然后利用均匀实验设计方法建立计算实验样本点分布表,用商用软件进行各样本点的CFD计算,最后建立响应面优化模型,对其进行优化设计,得到了升阻比比原始叶型升阻比高22%的优化叶型.     

Matlab优化工具在通用风力机翼型型线设计中的应用

基于Matlab软件中的优化算法和优化工具,针对风力机翼型通用型线集成表达式建立了优化数学模型.以风力机翼型的最大升阻比为优化设计目标函数,翼型形状控制方程的系数为设计变量,翼型的厚度和弯度为约束条件,设计得到了相对厚度为18%的风力机翼型,并对其性能进行了计算分析.研究结果拓宽了风力机叶片翼型的设计思路和设计方法.     

基于遗传算法的翼型性能优化

采用Hicks-Hence函数构建翼型,利用FLUENT软件对翼型的气动性能和噪声水平进行计算,并根据均匀设计试验方法,利用偏最小二乘回归法进行数据统计分析,构建多项式响应面模型;以翼型升阻比和噪声水平为目标函数,采用遗传算法对翼型性能进行优化设计,得到优化翼型;将优化翼型与基准翼型的性能进行了对比,结果表明,优化翼型的升阻比提高,噪声水平下降,优化效果明显.     

基于径向基函数模型的风力机翼型多目标优化设计

针对目前大型风力机翼型综合气动性能的优化需求,建立了多运行工况下的翼型优化设计方法。该方法利用最优拉丁超立方法设计样本,采用解析函数线性叠加法表征翼型外形,建立径向基函数模型代替复杂且耗时的CFD气动分析模型,利用多目标粒子群优化算法对该模型进行多点优化设计,以获取综合气动性能更佳的风力机专用翼型。利用上述方法对风力机常用翼型NACA4418进行优化,结果表明:新翼型在各运行工况下,升力系数和升阻比均有所提高,该优化方法可提高优化效率,改善翼型的气动特性,具有一定的工程实用价值。     

碟形直线超声电机优化设计

为了有效和快速地实现直线型超声电机的设计,提出了一种基于响应面法的直线超声电机优化设计方法并应用于蝶形直线型超声电机.响应面法是一种试验设计与数理统计相结合的优化方法.首先,利用有限元法建立定子的参数化模型并选定设计变量;其次,利用试验设计方法在变量空间里选取样本点,对各个样本点所对应的结构利用APDL建立有限元模型并进行模态分析和谐响应分析,得到对应各样本点的响应值,利用这些样本点和响应值建立定子响应面近似模型;最后,利用单纯形法找到最佳的设计方案.优化结果显示,蝶形直线超声电机的多方面设计要求都得以实现.     

复合材料加筋结构的神经网络响应面优化设计

针对复合材料加筋结构优化设计的复杂性,提出利用人工神经网络结构近似分析响应面来反映结构设计输入与结构响应输出的全局映射关系的优化方法。通过正交试验设计选取合适的结构有限元分析样本点,进行神经网络响应面的构建和训练;将神经网络响应面作为目标函数或者约束条件,汇同其他常规约束条件完成优化模型的建立,并应用遗传算法(GA)进行优化,从而形成一套适应性强的的高效优化方法。以复合材料翼身融合体帽型加筋板的质量优化为实例,建立加筋板模型的重量响应面目标函数、强度和翘曲稳定性响应面约束条件;通过PATRAN/NASTRAN有限元软件进行有限元计算,获取用于响应面训练的样本点数值。算例结果表明,该方法能以很少的有限元分析次数取得高精度的响应面近似模型,并且使优化计算耗时大为减少,优化效率大大提高。     

基于Kriging插值和回归响应面法的冲压成形参数的优化及对比分析

首先采用拉丁方试验设计方法进行样本数据设计,同时,为了提高计算效率,将基于Kriging插值和响应面近似模型引入板料成形优化设计的复杂系统中,并基于初始化变量进行优化,采用Kriging插值和响应面近似方法对样本点和优化过程中形成的优化点重新进行响应面构造,以确定优化范围内新的初始值并将约束减小到一定范围;随后采用遗传优化算法对更新的设计变量初始值和约束范围进行优化。如此循环,直至得到最优解。计算结果表明,在汽车覆盖件行李箱盖的压边力、拉延筋阻力最优设置以及避免出现拉裂、起皱现象方面,Kriging插值近似建模技术优于多项式回归响应曲面近似建模技术,其预测精度高,自由度高,建模效率高。     

基于变复杂度近似模型的汽车安全性和轻量化优化

针对汽车安全性优化过程中考虑冲压效应的计算复杂性特点,采用最优拉丁方实验设计,利用较少样本点数据在传统模型和高精度模型间建立一个差值补偿响应面模型,再通过传统模型和差值补偿响应面模型构造新的实验样本点,在此基础上建立Kriging响应面模型,应用多目标粒子群优化算法对此响应面模型进行优化求解,进行了整车正面碰撞和轻量化多目标优化设计。结果表明,该方法能够在保证响应面精度的前提下,快速收敛于优化解。     

二元机翼颤振可靠性研究

机翼气动弹性模型参数一般具有不确定性,为了定量分析参数不确定性对二元机翼颤振可靠度的影响,采用响应面法结合确定性颤振分析对其进行了研究。通过v-g法求解气动弹性运动方程的特征值,获得确定性颤振临界速度,建立描述机翼颤振可靠度的隐式极限状态函数,利用响应面法进行函数拟合。采用验算点法计算颤振可靠度指标,获得设计验算点以及失效概率,分析颤振可靠性灵敏度,从而确定参数变化对机翼颤振的影响程度。最后通过算例分析,得出考虑参数随机性影响的可靠度比确定性分析的可靠度提高了4%,证明本方法切实可行,为机翼结构的颤振分析与优化设计提供理论依据。     

湍流工况小型风力机翼型气动特性及稳健优化

风力机翼型设计通常未考虑湍流强度影响,气动设计与实际工况产生较大偏差,为使得翼型设计与实际工况相匹配,考虑随机湍流工况湍流强度大小的不确定性,以S809翼型为研究对象,分析低雷诺数下不同湍流强度对翼型S809升阻气动特性、压力分布影响规律,量化湍流不确定性对翼型气动性能的影响,提出一种在气动优化中耦合层流分离预测的高湍流低雷诺数小型风力机翼型优化策略,基于非嵌入式概率配置点法、TransitionSST模型、拉丁超立方试验设计、Kriging模型和非支配排序遗传算法进行气动稳健优化设计。案例结果表明,优化后翼型湍流适应性增强,在不确定湍流强度TI～N(0.15,0.037 52)工况下最大升阻比平均值提升了6.55%,标准差减小了13.49%。该方法使翼型设计与湍流风况相匹配,降低翼型对不确定湍流的敏感性,为不确定湍流工况低雷诺数翼型及小型风力机设计与应用提供重要参考。     

风力机专用翼型综合优化设计方法

为了得到拥有优良气动特性且低噪声水平的风力机专用翼型的轮廓线,提出了翼型多工况点多目标综合优化设计方法。该方法应用Bezier曲线对翼型的轮廓线进行参数化表达,并推导出由翼型离散数据点反求Bezier曲线控制点的一般方程。基于翼型噪声预测半经验模型,采用XFOIL计算翼型的气动性能,结合遗传优化算法得到优化翼型。以美国NREL风力机翼型S834为初始翼型,对多工况多目标权重分配方案进行综合设计。研究表明,相对于初始翼型,优化翼型在主攻角范围具有更好的气动性能和声学性能。     

Design optimization of wind turbine blades for reduction of airfoil self-noise

To reduce airfoil self-noise from a 10 kW wind turbine, we modified the airfoil shape and planform of a wind turbine blade. To obtain the optimal blade design, we used optimization techniques based on genetic algorithms. The optimized airfoil was first determined based on a section of the rotor blade, and then the optimized blade was designed with this airfoil. The airfoil self-noise from the rotor blades was predicted by using a semi-empirical model. The numerical analysis indicates that the level of the airfoil self-noise from the optimized blade is 2.3 dB lower than that from the baseline blade at the rated wind speed. A wind tunnel experiment was also performed to validate the design optimization. The baseline and optimized rotors were scaled down by a factor of 5.71 for the wind tunnel test. The experimental results showed that airfoil self-noise is reduced by up to 2.6 dB.     

基于钝尾缘翼型叶片的三维风力机性能分析

随着风力机向大型化发展,为有效提升风力机叶片的性能以及结构强度,将钝尾缘翼型应用于风力机叶片设计。以NACA639XX系列翼型为基准翼型,通过Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对翼型进行参数化拟合,使用多岛遗传算法优化得到层流钝尾缘翼型族(USST-XXX)。将此翼型族中相对厚度为21%的USST-211翼型与NACA63921层流翼型替换NREL PhaseVI叶片截面的S809翼型,建模得到两种三维风力机叶片,采用数值模拟的方法,对这两种叶片不同风速下的流场进行分析,并与NREL Phase VI风力机叶片的气动性能进行对比。数值模拟结果表明,在额定风速附近,采用层流钝尾缘翼型所构造的新叶片风力机的风能利用系数高于其他两种叶片。研究结果表明优化得到的层流钝尾缘翼型族可以有效提升风力机气动性能,在大型水平轴风力机叶片设计方面具有良好的应用前景。     

小型风力发电机叶片设计与制造的研究

叶片是风力发电机(简称风机)的关键部件,为了制造出优良的小型风机叶片,对小型风机叶片的设计、材料的选择以及模具制造进行了研究。根据当地风能资源的情况,风机的设计功率为300W。首先设计出风轮的基本尺寸,选择NACA4412翼型,经过计算和分析,确定叶片剖面翼型和具体尺寸;其次根据风机叶片的受力情况及其他要求,选择玻璃纤维增强复合材料制作叶片;然后运用CAD和CAM技术,设计了一套小型风机玻璃钢复合材料的叶片并制作了模具。为风机玻璃钢叶片进一步实现规模化生产奠定了良好的基础。     

复合新翼型风力机叶片的气动设计及建模

基于Wilson法,用美国可再生能源实验室开发的S系列新翼型S833、S834、S835和三者的组合翼型来设计叶片,不同翼型连接处采用MATLAB程序语言的样条差值和曲线拟合法进行过渡修正,以满足气动连续性要求。在叶片设计基础上,分别计算了单翼型和复合翼型叶片的气动性能;利用有限元分析软件ANSYS建立了风轮的三维实体模型。结果表明:复合翼型叶片在较宽尖速比范围内比其它几种单翼型叶片的功率系数大,利用ANSYS软件建立的风轮实体三维模型,为风轮的结构动态及载荷等问题的进一步分析提供了技术基础。     

兆瓦级风力发电机组叶片设计

研究兆瓦级风力发电机叶片翼型建模的方法,应用UG、Matlab建立叶片实体模型,并对叶片的翼型设计提出优化的方法。     

水平轴风力机叶片翼型的气动特性数值模拟

为了直观形象地探讨水平轴风力机叶片翼型的气动特性,利用计算流体力学软件FLUENT对水平轴风力机叶片常用翼型FFA-W3-211,FFA-W3-301和NACA63-215进行了数值模拟,并与试验数据进行对比和分析,验证数值模拟的可靠性。有利于了解风力机翼型的气动性能,为风力机叶片翼型选型和叶片翼型设计和研发提供重要依据。     

一种星敏感器系统热设计方法及试验验证

目前,国内机构针对星敏感器的温控研究与设计较少,多集中于星图的图像处理和图像算法的优化。着重以星图中目标能量变化、信噪比、质心定位误差等参数为指标,分析温度对该星敏感器的热影响,从而实现高精度星敏感器在空间复杂热环境下的可靠应用。进一步基于星敏感器的结构及热分布,对星敏感器进行热设计及散热路径优化,提出星敏感器热电制冷器（Thermo electric cooler,TEC）的热控措施。以典型在轨高温工况与低温工况为例,利用有限元仿真软件进行该热设计的有效性与合理性仿真分析。在以上的设计与分析基础上,完成一套温度控制系统,通过模拟星敏感器在高温工况下的环境条件,使用热电制冷方式对星敏感器采取制冷措施,使星敏感器探测器温度维持在20℃±3℃,达到温控指标,保证星敏感器能够在恶劣温度环境下持续提供高精度姿态信息。重点阐明热环境因素与成像质量之间的关系,完成温度与星点识别精度的关联性分析,为后续星敏感器热控设计及定姿精度提升提供参考。     

钝尾缘翼型对5MW风力机性能影响的研究

目前国内外对钝尾缘翼型的研究主要集中于翼型的改进方式与二维气动性能的模拟,对钝尾缘翼型应用于风力机时对其性能影响的研究较少,然而钝尾缘翼型应用于风力机时由于旋转效应的存在叶素翼型之间会发生相互影响。为了更好的研究钝尾缘翼型,了解钝尾缘翼型对风力机性能的影响,对NREL 5MW风力机叶片内侧翼型进行对称钝尾缘修型,分析二维翼型气动性能,发现一定范围内,翼型的升力系数、升阻比均随尾缘厚度的增加而增大。对原风力机进翼型替换,模拟并对比两类风力机的性能,研究表明改型后风力机的输出扭矩高于原机,而且随风速增大改型风力机的优势变得越来越突出;然而在相同工况下,改型后风力机的轴向力也大于原机。     

Wind turbine airfoil design using response surface method

This paper describes the design of a wind turbine airfoil under various operating conditions through the use of a suitable combination of flow analysis and optimization techniques. The proposed method includes a parametric study on the influence of design variables and different design conditions on airfoil performance. The incompressible Navier-Stokes equations and the k-ɛ turbulence model are used to compute the aerodynamic coefficients of an airfoil. The response surface method (RSM) is applied to obtain the optimum solution of the defined objective function and the penalty term of the constraint. The influence of the design variables (change in airfoil geometry) on airfoil performance as well as the accuracy of the RSM is examined from the statistical viewpoint. Various airfoil shapes with good aerodynamic performance are obtained according to various operating conditions (change in angle of attack), objective functions (minimum of drag coefficient or maximum of lift-to-drag ratio), and constraints (the lift coefficient of a designed airfoil is higher than that of a base airfoil at a certain angle of attack).