大型风力机叶片复合材料铺层优化方法及应用研究

作     者：车思迪 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马铁强;孙传宗;单光坤

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：风力机叶片 复合材料 结构优化 

摘      要：叶片作为风电机组捕获风能的关键部件,运行工况及所受载荷情况复杂。良好的叶片结构和气动性能是保证风电机组安全稳定运行的关键。为了获得优良的性能,风力机叶片主要采用纤维增强复合材料,复合材料的铺层顺序、厚度及分布等参数对叶片性能影响较大。本文主要研究风力机叶片复合材料铺层优化问题,主要内容如下:(1)研究了风力机叶片用复合材料的组成和铺层结构,引入了纤维增强复合材料经典层合板理论,阐述了复合材料层合板的铺层原则和失效准则。为后续开展面向强度和轻量化的风力机叶片复合材料铺层优化奠定了理论基础。(2)全面阐述了风力机叶片复合材料铺层优化问题并建立了优化问题的数学模型;从铺层分布、铺层顺序、铺层厚度等三个角度提出了风力机叶片复合材料铺层优化的解决方案。(3)提出将风力机叶片复合材料划分为若干区域,通过优化叶片铺层区域的划分方案,提高复合材料利用率、实现叶片轻量化。受计算机图像学启发,提出了基于区域分裂/合并原理的风力机叶片复合材料铺层区域优化方法,并基于遗传算法对叶片区域优化模型进行求解。(4)针对风力机叶片复合材料铺层厚度、铺层顺序等参数,创建了面向总质量、强度、刚度和制造工艺的风力机叶片铺层厚度/铺层顺序优化数学模型,给出了基于遗传算法的风力机叶片铺层厚度/铺层顺序优化的一般流程和方法。最后,本文以某13.2MW风力机叶片为研究对象,利用上述方法对其进行复合材料铺层优化。优化结果表明:优化后的风力机叶片的性能能够满足要求,同时实现了叶片轻量化,验证了本文方法规范的可行性。