風力機葉片結構拓撲優(yōu)化設計★

章游游 鄭玉嬌 陳雨嫣 孫梅梅 湯嘉勉 朱 杰

(嘉興學院建筑工程學院，浙江 嘉興 314001)

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·機械與設備·

風力機葉片結構拓撲優(yōu)化設計★

章游游 鄭玉嬌 陳雨嫣 孫梅梅 湯嘉勉 朱 杰

(嘉興學院建筑工程學院，浙江 嘉興 314001)

通過建立某1.5 MW葉片有限元模型，對其進行結構拓撲優(yōu)化設計，得到了材料最佳拓撲分布形式，并提出了改進結構形式的概念設計方案，可為葉片新型結構設計或改進提供參考。

風力機葉片，結構設計，拓撲優(yōu)化，有限元模型

結構設計是風力機葉片設計的一個中心環(huán)節(jié)，優(yōu)化設計技術在其中占有相當重要的地位[1]。許多學者在這方面展開了深入研究[2-5]，但均未從根本上改變?nèi)~片結構形式，無法體現(xiàn)真正意義上的最優(yōu)設計。因此，通過結構拓撲優(yōu)化，尋求新型或改進的結構形式，對風力機葉片的設計具有重要的指導意義。

1 葉片有限元模型構建

1.1 葉片幾何結構

本文所研究的1.5 MW風力機葉片長37 m，剖面結構形式如圖1所示，主要包括主梁、腹板、前緣與后緣四部分，在后緣尾緣處鋪設了加強梁，以提高其強度、剛度及穩(wěn)定性。

1.2 葉片有限元模型

在ANSYS中建立葉片實體模型，采用Solid95實體單元對葉片進行自由網(wǎng)格劃分。材料參數(shù)為：彈性模量E=42.2 GPa，泊松比v=0.24，密度ρ=1 910 kg/m3。綜合考慮計算精度與計算時間，單元尺寸大小定為0.1。葉片實體單元有限元模型見圖2。

1.3 模型載荷及邊界條件

有限元模型載荷為考慮載荷因子為0.5的極限揮舞與極限擺振載荷組合作用工況。將葉片視為懸臂梁模型，并將極限揮舞載荷和極限擺振載荷分別簡化為5個集中力施加于葉片不同位置，具體加載情況如表1所示。

表1 葉片加載情況

2 優(yōu)化結果及分析

采用ANSYS拓撲優(yōu)化模塊進行體積約束下的最大剛度設計，設定體積減少80%，最大迭代次數(shù)為50次。

圖3為葉片整體材料密度分布圖。由于極限揮舞載荷值較大，在拓撲優(yōu)化時起主導作用，因此材料的分布主要集中在葉片上、下表面，形成主梁結構。極限擺振載荷的作用使主梁的位置發(fā)生了一定的偏移。材料在葉片上表面的分布向后緣偏移，在下表面則向前緣偏移。

為了進一步說明材料在葉片內(nèi)部的分布情況，選取3個截面(分別位于25%,50%和75%葉片長度處)進行分析，如圖4所示。由圖4可見，葉片材料在上、下主梁上明顯呈非對稱分布。材料厚度沿葉片展向呈先減小、后增大、再減小的分布趨勢，這與實際葉片主梁復合材料的鋪層厚度分布規(guī)律一致。葉片中段至葉尖處由于主梁厚度減小，為了提高剛度，在上、下主梁之間形成了腹板結構，起支撐主梁作用，并承擔部分載荷。

從拓撲優(yōu)化結果可以看出，在極限荷載作用下，主梁是葉片的主要承載結構，腹板對主梁起支撐作用，前、后緣主要起維持葉片氣動外形的作用。這與目前葉片結構形式的設計方案相吻合，從拓撲的角度，驗證了該結構形式的合理性。另外，經(jīng)分析可知，通過合理調(diào)整主梁在葉片上、下緣的布置位置，可有效提高葉片整體剛度。

對優(yōu)化結果進行綜合處理，給出葉片各截面的概念設計方案：葉根截面設計成圓環(huán)形，以便其能方便的通過螺栓與輪轂進行連接；對主梁進行一定的偏置，在上表面向后緣偏置，在下表面向前緣偏置；從葉片中段起至葉尖處布置起支撐作用的腹板，以防止葉片失穩(wěn)和局部變形過大。

3 結語

將拓撲優(yōu)化方法引入風力機葉片設計中，通過建立葉片實體單元有限元模型，對其進行極限載荷作用下的結構拓撲優(yōu)化設計，得出滿足體積約束的材料最佳拓撲分布形式，并提出了改進葉片結構形式的概念設計方案，可為葉片新型結構形式的設計或結構形式的改進提供參考。

[1] 靳交通,周鵬展.大型水平軸式風電葉片的結構設計[J].可再生能源,2009,27(2):65-68.

[2] 馮消冰,黃 海,王 偉.大型風機復合材料葉片鋪層優(yōu)化設計[J].玻璃鋼/復合材料,2013(3):3-7.

[3] 楊從新,張 強.大型風力機葉片盒型主梁主參數(shù)優(yōu)化計算[J].蘭州理工大學學報,2014,40(2):69-72.

[4] 朱 杰,蔡 新,潘 盼,等.風力機葉片結構參數(shù)敏感性分析及優(yōu)化設計[J].河海大學學報(自然科學版),2015,43(2):156-162.

[5] 張明輝,宋丹丹,王 海.基于改進遺傳算法的風機葉片結構優(yōu)化設計[J].煤礦機械,2015,36(10):179-182.

Structural topology optimization design of wind turbine blade★

Zhang Youyou Zheng Yujiao Chen Yuyan Sun Meimei Tang Jiamian Zhu Jie

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,JiaxingUniversity,Jiaxing314001,China)

The structural topology optimization of a 1.5 MW wind turbine blade is carried out through the establishment of a finite element model. The best material topological distribution form is obtained, and the conceptual design scheme which can improve the structural form is proposed, provide some references for the new structural design or improvement of wind turbine blades.

wind turbine blade, structural design, topology optimization, FEM model

1009-6825(2017)15-0203-02

章游游(1997- )，男，在讀本科生

2017-03-16

TK83

A

★:嘉興學院大學生研究訓練(SRT)計劃項目“基于拓撲優(yōu)化的風力機葉片結構最優(yōu)體型研究”(編號：SRT2016C155)