大型风力发电机复合材料叶片动态特性分析

以1.2 MW风力机叶片为研究对象,采用参数化建模技术建立大型风力机复合材料叶片的三维有限元壳模型,在此基础上采用拟波前子空间迭代法准确计算了基于多因素耦合作用下复合材料叶片的固有频率和振型。进而分析了不同形式的振动对旋转叶片的影响机理,该计算方法对大型复合材料风力机叶片的结构设计具有一定的参考价值。     

风力机叶片的形状优化设计

在风力机优化设计过程中,考虑法向力和切向力的叶尖损失,基于一维的动量叶素理论及传统的风力机空气动力学原理,推导并给出新的风力机轴向和周向因子的计算模型。探讨风力机成本和输出能量之间的关系,得到风力机成本及其年输出能量的计算模型,进而建立风力机单位输出能量成本的数学模型,以其为优化设计目标,以叶片的形状参数弦长、扭角和相对厚度为优化设计变量,提出叶片的优化设计数学模型。最后,应用该优化模型对某2MW风力机叶片进行优化设计,并对优化结果进行比较分析,验证了优化叶片的工作性能,很好地实现了风轮单位能量成本的降低。研究成果为大功率风力机叶片的设计开发提供了理论依据,奠定了风力机叶片的研究和工业应用前景。     

复合材料控制臂的多区域铺层结构优化

使用碳纤维复合材料设计某乘用车悬架控制臂,对4个区域的铺层结构进行优化设计.首先以各角度铺层厚度为设计变量对控制臂模态频率、质量和各工况应变能进行优化;然后以前三阶模态频率为目标,弯曲刚度参数作为设计变量优化铺层顺序.针对设计变量间存在的工艺约束条件使样本空间不规则且优化变量较多的问题,利用聚类分析进行试验设计确定训练近似模型需要的样本点,并用高斯过程回归方法建立近似模型以减少计算时间,验证模型R2在0.9以上.两步优化后,对比复合材料初始铺层各性能指标均有不同程度改善,复合材料质量减少11.4％;对比原钢制控制臂,各性能均满足要求,质量降低37.1％.     

微型风力机叶片结构优化设计与仿真分析

针对目前风力机对低速风力资源的利用较少,设计了一种适用于低风速的微型风力机叶片。采用Wilson设计方法建立了以叶片形状参数安装角和弦长为设计变量的数学模型,通过Matlab编写程序计算3W风力机叶片参数并对设计变量做线性优化以利于工程加工。在得到参数的基础上基于点的坐标几何变换理论建立叶片三维模型,并利用Fluent仿真,仿真结果表明叶片的功率为2.91W,与设计额定功率相差3%,满足工程误差。通过此方法设计的微型风力机叶片能获得较高的精度,满足工程要求,为实际生产提供数据支撑。     

复合材料起落架舱门结构优化设计

基于有限元软件ANSYS建立复合材料起落架舱门参数化有限元模型,基于三明治夹芯板理论将蜂窝芯层等效为均质的厚度不变的层板,以蜂窝夹芯高度与复合材料面板各铺层厚度为设计变量,以铺层板、蜂窝夹芯的强度,结构稳定性以及结构刚度为约束函数,以结构质量最轻为目标函数,基于ANSYS优化模块首先选择零阶法进行优化得到粗略解,其次选择一阶梯度优化法进一步对夹层结构进行优化设计,得到最优蜂窝芯子厚度、蒙皮各铺层厚度.     

小型风电叶片优化配对技术研究

小型复合材料风力机叶片加工不均匀导致旋转风轮产生不平衡,为了控制装机后的风轮不平衡量,在安装前需要对风力机叶片进行合适的配对优选。建立风力机叶片配对力学模型和配对优化模型,设计并研制了小型风电叶片质量和质心位置检测系统,利用Visual Basic环境建立可视化软件平台,采用遗传算法开发配对优化程序。实例计算表明,遗传算法配对优化效率高、速度快,具有较强的工程意义。     

无人机机翼的结构/材料一体化优化设计

目前无人机机翼大规模采用复合材料,因为性能优越的复合材料具有很好的可设计性,所以对于复合材料机翼的研究十分重要.基于ANSYS和MATLAB联合调用技术提出了一种固定翼无人机机翼结构/材料一体化设计的优化方法:将翼梁位置的结构参数和机翼各元件材料的铺层参数作为设计变量,机翼结构质量为目标函数,采用遗传算法对机翼进行优化...     

基于气弹耦合特征的风力机叶片优化设计

为提高风力机叶片气动结构性能,基于风力机风轮空气动力学及叶片结构动力学原理,选取叶片所处位置及扭转变形为自由度,在研究叶片摆振、摆振方向各阶振动模态的基础上,提出风力机叶片气动弹性耦合振动变形计算模型。基于风力机整机部件构成及输出功率特征,提出风力机叶片优化设计模型,对某5 MW风力机叶片的进行形状优化设计,通过对比分析优化叶片和原始叶片的输出功率及气弹载荷特性,验证优化叶片气动及结构性能的优越性。     

基于区间模型的机械结构多学科稳健优化设计

考虑设计变量和设计参数的不确定性,提出基于区间模型的机械结构二阶段多学科稳健优化设计方法。第一阶段分析多学科不确定优化三层嵌套循环的优化架构,结合机械结构设计中不确定设计参数的特点,考虑区间扩张,将多学科不确定优化的三层嵌套循环优化架构简化为两层嵌套循环优化架构;第二阶段采用最近值法将连续型变量离散化,得到带有公差的离散型结构尺寸优化结果。工程实例表明,提出的方法有较强的可行性与有效性,具有一定工程实用价值。     

风电叶片三维参数建模及振动分析

利用目前风力机叶片设计普遍采用的优化设计方法Wilson设计方法,通过MATLAB编程,开发了小型叶片气动设计的应用程序,并利用该程序设计了一台3kW小型水平轴风力机叶片.采用MATLAB和ANSYS共同建立了风力机叶片三维有限元参数模型,MATLAB编制的建模程序提高了初期设计效率,缩短了ANSYS分析前处理时间.在此基础上进行了叶片固有振动特性计算,分析了叶片的振动特性及其与结构参数之间的关系,分析方法和结果对风电叶片的结构设计和动力分析有一定的参考价值.     

基于材料-结构协同设计的层合板多级优化方法

提出一种以材料参数与结构参数为变量的复合材料层合板多级优化设计新方法。以单层纤维含量、层厚和铺层角为设计参数,建立了刚度和强度约束下的结构减重设计模型,基于有限元分析,运用所提出的三级优化策略完成结构轻量化设计。本文给出了不同载荷类型和位移边界条件下层合板优化算例,设计结果验证了方法的有效性。     

低噪声风力机叶片气动外形优化设计

针对目前兆瓦级风力机叶片噪声污染问题,基于动量叶素理论及叶片噪声计算模型,提出在给定工况条件下,以功率系数与噪声的最大比值为目标函数,以影响叶片气动噪声性能的弦长及扭角为设计变量,建立了低噪声风力机叶片优化设计数学模型。对某实际2.3MW风力机叶片进行优化设计,并与噪声实验数据对比,结果表明：在主要频率域范围内,叶片噪声预测值与实验数据较吻合;相比原叶片,新叶片具有更低的噪声特性,噪声声压级降低了约7.1%,同时风轮功率系数略有增大,从而验证了该设计方法的可行性。     

移车台结构系统分析及轻量化设计

以某移车台车架结构为研究对象,在ANSYS软件中建立其参数化有限元模型并进行分析。针对分析结果中悬臂端刚度不足的问题,除将车架主梁、横梁截面尺寸作为优化设计变量外,增加结构支承位置作为优化设计变量,建立了两种移车台优化数学模型。在Isight软件中建立响应面近似模型,利用多岛遗传算法寻优求解。优化结果表明,改进后移车台车架结构的强度、刚度均满足设计要求,且结构自重下降33. 72%,轻量化效果显著。研究结果可对移车台车架结构方案的合理制定及改进提供依据。     

混凝土搅拌车搅拌叶片结构优化设计

应用有限元法和零阶分析法,按照高刚度、轻质量的原则,选取叶片厚度作为设计变量,建立了以应力为性能约束,以质量最小为优化目标函数的优化模型,进行了基于零阶方法的叶片结构动态优化设计,得出切合实际的优化设计方案.结果证明此种优化设计方法直观、合理.     

磨床床身结构优化设计

基于参数化建模和结构优化设计理论,建立了某磨床床身的参数化有限元模型;以床身的筋板间距和壁厚为设计参数,在保证导轨刚度的条件下,采用整体优化和分层优化的方法分别对床身结构进行了优化设计,达到降低床身自重的目的,并对优化前后的结构进行了力学性能比较。整体优化是指同时优化所有的设计变量,而分层优化是指将设计变量根据其对设计目标和约束条件的影响进行合理分组,逐步优化。结果表明,采用分层优化技术可有效地解决设计变量较多的复杂结构优化设计。     

参数优化方法在轻质反射镜结构设计中的应用

介绍了一种对反射镜轻量化结构进行优化设计的方法。利用ANSYS软件对采用扇形开口孔轻量化的某遥感器主反射镜建立参数化结构模型,将对反射镜力学性能影响较大的某些结构参数如镜体厚度、扇形孔的位置、尺寸等指定为优化设计变量,根据反射镜的加工和装配工艺合理地确定这些结构设计变量的可行域,运用ANSYS优化设计模块提供的零阶优化方法对镜体结构进行了优化设计。力学分析表明,经过优化后的反射镜结构相比于原设计方案轻量化程度更高,静力学性能更好。     

极端运行阵风对15 MW风力机叶片结构性能影响的分析

基于CFD方法,对极端运行阵风条件下IEA Wind 15 MW水平轴风力机气动性能进行分析。采用ANSYS APDL软件定义复合材料铺层方案建立15 MW风力机叶片有限元模型,并基于Workbench平台对风力机叶片进行模态分析和静力学分析,研究极端运行阵风对风力机叶片结构性能的影响。结果显示：极端运行阵风对风力机气动性能和叶片结构性能影响较大,风轮推力与转矩极值出现的时间点均迟于风速极值点,沿叶片展向叶片流动分离区域与风速呈正相关;在极端运行阵风期间,叶片位移均是从叶根至叶尖逐渐增大,叶片最大应力出现在叶片主梁并且距叶根0.6R处,同时,由于叶片的叶尖位移和最大应力在短时间内大幅度变化,会使叶片破坏的概率增加。     

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.     

大型风力机叶片的耦合优化方法

为了降低兆瓦级风力机叶片的制造成本,通过耦合叶素动量理论与复合材料欧拉伯努利梁强度设计理论,综合考虑风能效率和成本,以叶片的风能效率成本最小化为优化目标,提出了大型风力发电机叶片的多学科优化设计方法。并基于该方法,对某50 m风力机叶片进行了优化设计。研究结果表明,该方法能够找到风能效率与成本的平衡设计点,叶片风能效率成本比传统设计方法设计的叶片减少了8.84%。     

夹芯复合材料风力机叶片的结构设计方法

风力机叶片的结构设计是计算和试验反复验证的过程,计算为试验提供理论基础,试验为计算提供模型参数。为了更好地匹配两者关系,加快合理结构特性叶片的设计过程,提出一种多点加载的夹芯复合材料叶片结构特性测试方法,以获得叶片各截面的结构性能参数,为有限元建模提供准确的参数,同时试验数据可以评定离网型风力机叶片强度,并能利用截面EIj/YAj和Mj/ε曲线分布快速检验风轮叶片结构设计的合理性。以某离网型600W风力机夹芯复合材料叶片进行多点加载测试和有限元模拟,结果证明:试验数据可快速判断叶片的强度要求、危险截面的分布、结构性能的合理性;基于试验参数的夹芯复合材料叶片有限元数值计算结果与试验数据一致,此外,该准确的有限元模型可计算出风机叶片在不同工况下、任意截面处的结构性能参数,提高了计算分析效率。