英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
复合材料风力涡轮机叶片的物理试验、静态试验和结构优化设计
E.M. Fagan M. Flanagan S.B. Leen T. Flanagan A. Doyle J. Goggins
土木工程，爱尔兰戈尔韦国立大学，爱尔兰
摘要：本文对13米长的玻璃纤维环氧复合材料风力涡轮机叶片进行了试验研究。试验结果用于有限元模型的标定。然后使用遗传算法进行了设计优化研究。优化的目标是尽量减少叶片结构中使用的材料，从而降低制造成本。对复合材料的厚度分布和叶片内部结构布局进行了优化。根据叶片刚度和叶片表面应力对目标进行约束。采用变罚函数法对叶片试验和涡轮结构布置的极限进行求解。模型与试验结果吻合良好(叶片质量在6%以内，挠度在9%以内)，并详细讨论了试验与模型的差异。遗传算法得到了五种最优的叶片设计，质量降低了24%。结构建模与数值搜索算法相结合，为设计师提供了一个强大的工具，并证明当参考叶片模型根据物理测试数据进行校准时，读者可以对声称的潜在节约有信心。
关键词：优化；遗传算法；FRP复合材料；Puck准则；结构试验；风力机
Physical experimental static testing and structural design optimisation for a composite wind turbine blade
E.M. Fagan M. Flanagan S.B. Leen T. Flanagan A. Doyle J. Goggins
Civil Engineering, National University of Ireland Galway, Ireland
Abstract: This study presents experimental testing on a 13 m long glass-fibre epoxy composite wind turbine blade. The results of the test were used to calibrate finite element models. A design optimisation study was then performed using a genetic algorithm. The goal of the optimisation was to minimise the material used in blade construction and, thereby, reduce the manufacturing costs. The thickness distribution of the composite materials and the internal structural layout of the blade were considered for optimisation. Constraints were placed on the objective based on the stiffness of the blade and the blade surface stresses. A variable penalty function was used with limits derived from the blade test and the structural layout of the turbine. The model shows good correspondence to the test results (blade mass within 6% and deflection within 9%) and the differences between test and model are discussed in detail. The genetic algorithm resulted in five optimal blade designs, showing a reduction in mass up to 24%. Structural modelling in combination with numerical search algorithms provide a powerful tool for designers and demonstrates that the reader can have confidence in the claimed potential savings when the reference blade models are calibrated against physical test data.
Key words: Optimisation； Genetic algorithm； FRP composites； Puck criterion； Structural testing； Wind turbine.
1.介绍
尽管风力涡轮机叶片的尺寸已经达到并超过60米，但中型涡轮机的需求仍然相当大。最近一份对当前风能行业的评估报告强调了小型风力涡轮机的优势。作者声称，小型涡轮机适合满足家庭和商业能源需求，因为与大型风力发电场相比，电网系统对当地环境的影响更小。本研究中所研究的叶片长度为13米，适用于225千瓦额定涡轮，使涡轮处于中等商业范围的设备尺寸。小型风力涡轮机的主要缺点之一是高昂的初始和维护成本，其中最主要的部分是叶片。结合结构测试和有限元(FE)建模可以帮助降低这些成本，通过改进叶片设计。
在叶片认证过程中使用全尺寸结构测试，以帮助确保叶片设计的可靠性和安全性。IEC 61400-23[2]国际测试标准提供了叶片必须满足的结构设计要求的概要。对叶片的主要要求，也是本研究的重点，是静载荷下的结构响应。许多作者已经提出了这种静态叶片试验的结果。Overgaard等人利用[3]对一台34米高的风力涡轮机叶片进行了静态破坏试验，以研究其最终的破坏模式。Yang等人对40 m风力涡轮叶片进行了类似的失效试验，发现外层空气动力壳粘接接头的初始脱粘导致了一系列复杂的失效模式。Larwood和Musial[5]报告了12米叶片的静态和疲劳结构测试，在疲劳测试中很早就发现了叶片的几个失效区域。叶片是汽轮机的关键部件，叶片结构故障是汽轮机运行过程中最常见的故障类型之一。叶片的故障可能会导致涡轮的大量停机，由于风力涡轮机通常位置偏远，修复受损叶片可能不是一项简单的操作，或者更糟的是，完全替换一个[7]。
除了全面的结构测试，计算建模方法有改进标准叶片设计的潜力。风力涡轮机叶片最常见的建模形式是使用三维平面应力壳单元来表示叶片组成的薄壁复合材料层合板。平面应力假设在风力机叶片中是十分有效的，但对于透厚度应力较大的复杂区域，如叶片的根-轮毂连接区域，则不适用。许多作者采用了这种方法，并将其用于开发参数化叶片模型，以研究设计的各种结构和气动方面。Bonnet和Dutton[8]证明了Python脚本语言与Abaqus有限元软件结合在参数化叶片模型生成中的适应性。Montesano等人开发了一种结合微机械材料建模和连续损伤力学的方法，并展示了诸如叶片弦长和扭转角等参数如何影响损伤分布。Vucina等人开发了一种方法，用于风力涡轮机叶片的定制形状设计，以实现最大的能源生产。这种建模方法已经被证明是稳健的，证明了测试和模型之间的良好一致性[11,12]，可以研究叶片结构和气动设计的各个方面。
本研究提出的建模方法是从潮汐涡轮叶片设计方法发展而来的[13,14]。该方法从叶片的弦长、扭转角和气动载荷分布等基本设计信息出发，建立了叶片的参数化有限元模型。为了评估失效的风险，FE模型包括基于Puck失效准则的纤维失效和纤维间基体失效的检查。该准则是一个多层次(中尺度)的分析，包括五个多轴应力相互作用方程，定义了不同失效模式下的破坏面。该准则定义了三种基体开裂破坏模式，取决于层中横向应力和剪切应力的组合。某些破坏模式，如基体开裂，在结构中通常是可以容忍的。然而，这种失效机制会导致层合板的局部劣化，从而成为更严重失效的起点，例如基体开裂导致局部分层[16]。在商业FE程序Abaqus中，通过用户定义的子例程UVARM对每个元素集成点进行故障分析。
本文利用参数化模型及其所代表的大设计空间，采用遗传搜索算法进行结构优化。遗传算法有效地提供了一个复杂设计空间[17]的定向随机搜索。定向方面是由于用户定义的目标函数，它是对一种设计优于另一种设计的度量。在过去的二十年中，这种复合材料层合板优化方法已经被证明是有效的。例如，它已被应用于复合材料结构[18]的变厚度分布问题和多种材料和不同纤维方向[19]的组合问题。一些作者特别关注用于结构和气动设计的风力涡轮机叶片。Pourrajabian等人的[20]密切关注变化叶片设计的气动影响，使用梁理论进行结构分析，以减少计算工作量。Barnes和Morozov[21]研究了新型的风力涡轮机叶片内部结构布局，以减少质量。Fischer等人描述了他们的工具，用于年度能源产量、叶片质量和转子推力的多目标优化。这些都演示了如何将优化工具与气动、结构或动力性能工具相结合来研究复杂的叶片设计问题。
本研究的目标是应用遗传搜索算法，并辅以先进的故障分析，以解决风力发电机叶片的结构设计问题。能使设计优化参数化的叶片模型，首先和一个13米叶片的静态结构测试结果比较。提供了试验活动的细节，并研究了模型与试验结果之间的差异。在优化中探索的设计特征与叶片内部结构和叶片结构中使用的层压板厚度有关。设计研究的目的是在不降低结构性能的前提下减小风力机叶片的质量。
2.方法
设计方法分为以下四个部分:
- 风机叶片几何形状的详细描述
- 设计荷载和机械试验荷载概述
- 参数化FE模型的构造细节
- 解释遗传算法及其运作细节。
2.1 叶片的定义
本文所研究的风力涡轮叶片是基于标准功率为225 kW的Vestas V27涡轮。刀片的制造采用了一种新颖的“一次性”制造工艺[23]。通常，风力涡轮机叶片的制造涉及到生产几个不同的部件，这些部件然后组装在一起形成叶片。一次性的方法涉及到聚合整个结构，包括根部嵌入的金属插入物，在一个单一的过程中，从而消除了粘接的需要。在Flanagan等人的综述中可以获得关于大型复合材料结构的一次成型工艺的优点和缺点的更多细节。
刀片由玻璃纤维(GF)和粉末环氧树脂制成。在叶片根部插入的钢提供了与涡轮轮毂的连接。叶片遵循风力涡轮机的常规结构惯例，箱形梁提供弯曲和扭转刚度，气动外壳形成叶片形状。箱形梁由梁帽、沿叶片长度定向的单向层和腹板组成，腹板为结构提供了抗剪强度。剪切腹板由三维环氧树脂层构成;每个三维层包括以叶片的长度为导向的绞合[0°/plusmn;45°]。在有限元分析中，每个三维层由三层UD组成，并应用适当的定向。外层由三轴组织层组成，向尖端嵌入一个平衡芯。图1详细显示了叶片截面上的各个区域。
图1 风力涡轮机叶片的三个主要部分的主要分层:主梁、剪切腹板和外部空气动力壳
表1 叶片模型中使用的各种材料的力学性能
表1报告了GF-环氧材料的单向层的平面内刚度值。表1还列出了巴尔杉木核心层和胶衣的材料特性。轻木增加了气动壳层合板的板屈曲阻力，涂胶层用于保护叶片外表面不受环境损伤[24]。表2显示了叶片的三个主要部分，即粱区域、外部空气动力壳和剪切腹板的复合铺设情况。记录每个径向叶片站的单向和三轴层数以及芯材的位置。优化研究中使用的交合采用更通用的形式，详细内容见第2.4.1节。
桑迪亚国家实验室[25]对风力涡轮机叶片相关成本的研究表明，对于大型风力涡轮机叶片(30米及以上长度)，材料和劳动力的综合成本约占每把刀片总成本的68%。材料成本包括单向和双偏置玻璃纤维毡材料、表面防护胶衣、balsa芯材、树脂和根部附着系统等项目。人工成本是根据生产每个单独的叶片部件、组装叶片、修整、检验、运输和测试叶片的工作流程、劳动时间和设备需求来估计的。剩余的总叶片成本的28%与设计开发、制造工厂开销和叶片运输有关。材料和劳动力成本的这一数字已被证实是准确的，相对于目前研究的叶片，并用于确定优化方法实现的每个叶片的总节省百分比。
表3列出了叶片的几何形状，包括弦长、扭转角、气动廓线和叶片厚度的径向分布。杆帽的中心线大约位于整个叶片弦长32%的位置。刀片模型所有重要细节确定根据穆罕默德[26]和弗洛伊德[27]的硕士论文或与行业合作伙伴的通信。
2.2测试和负载的定义
风力机叶片的结构试验包括在运行过程中施加等效的机械载荷来匹配叶片的气动载荷。在典型的静态测试中，负载通过重量、起重机、液压或电子执行器在若干负载点[28]连接到叶片上。荷载点的个数越大，得到的弯矩分布越精确。图2为13 m风力机叶片静态试验的设置。在这种装置中，两个叶片安装在一个支撑结构上，用链条和链条块加载。负荷通过三个负荷鞍座传递到每个叶片上。负荷鞍座包含胶合板镶件，与叶片在负荷应用点的气
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[236100]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
