专利名称：一种基于结构拓扑优化的风力机叶片优化设计方法
技术领域：
本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉 及一种水平轴风力机叶片的结构拓扑优化设计方法。
背景技术：
随着全球气候变暖日趋严重，CO2减排的压力加大，同时化石能源供应紧张，可再生清洁能源越来越受到各主要国家的青睐。风能具有储量大、分布广、清洁无污染、综合成本较低且在下降等优势，是非常有前景的发电方式之一。风能作为未来能源供应重要组成部分的战略地位受到世界各国的普遍重视。为了实现风能的规模利用，降低风能利用成本，风电机组正朝着大尺寸、大功率的方向发展。由于尺寸的增大，叶片重量也往往随之增大。叶片重量的增大，导致叶片成本的增加，同时也带来叶片载荷的增加。随着风电机组大型化的发展趋势，这种趋势也更加明
Mo目前水平轴风力发电机组风轮叶片大都是由腹板、梁帽、和蒙皮等组成。图1为现有技术的风力机叶片的整体外观结构示意图。图2为现有技术的风力机叶片梁帽与腹板的结构示意图。如图1、2所示，腹板4和上、下梁帽3、5为叶片的主要承载部件，承受叶片的大部分载荷；蒙皮1主要起保持几何翼型的作用。由于现有技术的水平轴风力机叶片的上述结构，导致叶片质量过重，叶片成本的增加，同时也带来叶片载荷的增加，从而影响到风力发电机组的整体运行效率。因此，针对现有技术的大型风力机叶片的上述缺点和不足，对风力机叶片起主要承载作用的梁帽、腹板结构进行拓扑优化设计，以降低叶片重量，提高叶片性能，具有十分重要的意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术的大型风力机叶片质量过重的缺点和不足，本发明提出了一种基于拓扑优化理论的水平轴风力机叶片的优化设计方法，依据该设计方法制造的叶片，可在保障叶片气动、结构性能的同时，降低叶片重量和载荷，以适应叶片大型化的发展方向。(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种基于结构拓扑优化的水平轴风力机叶片的优化设计方法，所述叶片包括蒙皮(1)、腹板(4)和梁帽(3、5)，所述梁帽(3、5)与腹板(4)包括若干个开孔(6、7、8)，其特征在于，该优化设计方法包括以下步骤1)根据设计要求，采用现有的叶片设计方法，确定叶片的气动外形参数和腹板(4)、梁帽(3、5)的初始结构参数，作为优化前的初始设计；
2)采用有限元数值分析方法，对所设计的初始叶片结构进行有限元网格划分，根据叶片实际承载情况确定其边界条件；
3)以梁帽(3、5)与腹板(4)上材料质量的分布为优化设计变量，以保障叶片承载能力的前提下，降低叶片重量为优化目标；
4)通过采用通用的拓扑优化方法，对上述优化目标及变量下的叶片结构进行优化分析，依据分析结果，并在考虑叶片加工工艺的情况下，对腹板(4)与梁帽(3、5)进行开孔设计，确定腹板(4)与梁帽(3、5)的初步开孔位置及开孔尺寸；
5)完成步骤1)至步骤4)后，得到初步设计完成的叶片结构；
6)根据设计要求，对初 步设计完成的叶片结构进行强度、刚度和疲劳校核，根据校核结果，对初步设计的叶片结构进行调整，获得保证叶片具有良好结构性能的最终结构形式；
通过以上步骤实施，完成叶片的拓扑优化设计过程，在设计过程中，对叶片的气动外形不做调整，保持与步骤1)中一致，以保证其气动性能符合设计要求。优选地，采用在梁帽(3、5)与腹板(4)上开孔的方式实现结构的拓扑优化，通过优化分析，实现对开孔(6、7、8)结构的调整，调整参数包括腹板(4)、梁帽(3、5)上的开孔位置、开孔尺寸。优选地，所述梁帽包括上梁帽(3 )和下梁帽(5 )。优选地，所述开孔包括上梁帽开孔(6)、腹板开孔(7)和下梁帽开孔(8)。优选地，所述开孔(6、7、8)为矩形开孔。优选地，所述开孔(6、7、8)的数目、尺寸和排布位置依据优化与校核结果确定。(三)有益效果
本发明与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著优点
1)叶片中起主要承载作用的腹板和梁帽结构，采用拓扑优化技术，进行开孔设计，在保障承载能力的同时，降低了重量；
2)可根据载荷与强度分布情况，在设计阶段灵活设计开孔的位置、数量、尺寸等，保证叶片强度、刚度、质量的合理分布，提高叶片的抗载荷能力、抗疲劳性能以及优化叶片结构动力特性。
图1为现有技术的风力机叶片的整体外观结构示意图。图2为现有技术的风力机叶片中腹板和梁帽的结构示意图。图3为依据本发明所提供的优化方法所获得的叶片梁帽与腹板结构示意图。其中，1.蒙皮，2.叶片内部结构，3.上梁帽，4.腹板，5.下梁帽，6.上梁帽开孔， 7.腹板开孔，8.下梁帽开孔。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的一个示例性实施例中，水平轴风力机叶片的主要结构包括腹板4、上、 下梁帽3、5和蒙皮1。本 实施例中，在腹板4与上下梁帽3、5上沿叶片径向设置开孔。图3为本发明实施例水平轴风力机叶片腹板、梁帽的结构示意图。如图3所示，该开孔可以为矩形开孔。矩形开孔的数目、尺寸和排布位置依据优化与校核结果确定。通过在腹板、梁帽上设置合理的开孔，通过这种开孔设计，在达到减重目的的同时，保持了叶片大梁依然有良好的承载能力。拓扑优化是结构优化的一种，拓扑优化以材料的空间分布为优化对象，通过拓扑优化，可以实现在一定的设计空间中找到材料分布的最佳方案。拓扑优化的研究领域主要分为连续体拓扑优化和离散结构拓扑优化，本实例采用连续体拓扑优化方法中的变密度法进行优化设计。根据叶片在静态与动态工况下的载荷情况，设定结构的设计目标与设计变量，采用有限元数值方法进行结构优化迭代计算，确定设计空间内单元的去留，保留下来的单元即构成最终的拓扑方案，在本例中即为最终的优化设计结构。本实施例中新型水平轴风力机叶片通过以下步骤进行设计
1)根据设计要求，采用现有的叶片设计方法，确定叶片的气动外形参数和腹板4、上梁帽3、下梁帽5的结构参数，作为优化前的初始设计；
2)采用有限元数值分析方法，对所设计的初始叶片结构进行有限元网格划分，根据叶片实际承载情况确定其边界条件；
3)以上、下梁帽3、5与腹板4上材料质量的分布为优化设计变量，以保障叶片承载能力的前提下，降低叶片重量为优化目标；
4)通过采用通用的拓扑优化方法，对上述优化目标及变量下的叶片结构进行优化分析，依据分析结果，并在考虑叶片加工工艺等因素的情况下，采用对腹板4与上、下梁帽3、5 进行开孔设计，确定腹板4与上、下梁帽3、5的初步开孔位置及开孔尺寸；
5)完成步骤1)至步骤4)后，得到初步设计完成的叶片结构；
6)根据设计要求，对初步设计完成的叶片结构进行强度、刚度和疲劳校核，根据校核结果，对初步设计的叶片结构进行调整，获得保证叶片具有良好结构性能的最终结构形式。通过以上步骤实施，完成叶片的拓扑优化设计过程，在设计过程中，对叶片的气动外形不做调整，保持与步骤1)中一致，以保证其气动性能符合设计要求。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于结构拓扑优化的水平轴风力机叶片的优化设计方法，所述叶片包括蒙皮 (1)、腹板(4)和梁帽(3、5)，所述梁帽(3、5)与腹板(4)包括若干个开孔(6、7、8)，其特征在于，该优化设计方法包括以下步骤1)根据设计要求，采用现有的叶片设计方法，确定叶片的气动外形参数和腹板(4)、梁帽(3、5)的初始结构参数，作为优化前的初始设计；2)采用有限元数值分析方法，对所设计的初始叶片结构进行有限元网格划分，根据叶片实际承载情况确定其边界条件；3)以梁帽(3、5)与腹板(4)上材料质量的分布为优化设计变量，以保障叶片承载能力的前提下，降低叶片重量为优化目标；4)通过采用通用的拓扑优化方法，对上述优化目标及变量下的叶片结构进行优化分析，依据分析结果，并在考虑叶片加工工艺的情况下，对腹板(4)与梁帽(3、5)进行开孔设计，确定腹板(4)与梁帽(3、5)的初步开孔位置及开孔尺寸；5)完成步骤1)至步骤4)后，得到初步设计完成的叶片结构；6)根据设计要求，对初步设计完成的叶片结构进行强度、刚度和疲劳校核，根据校核结果，对初步设计的叶片结构进行调整，获得保证叶片具有良好结构性能的最终结构形式；通过以上步骤实施，完成叶片的拓扑优化设计过程，在设计过程中，对叶片的气动外形不做调整，保持与步骤1)中一致，以保证其气动性能符合设计要求。
2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，采用在梁帽(3、5)与腹板(4)上开孔的方式实现结构的拓扑优化，通过优化分析，实现对开孔(6、7、8)结构的调整，调整参数包括腹板(4)、梁帽(3、5)上的开孔位置、开孔尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的优化设计方法，其特征在于，所述梁帽包括上梁帽(3)和下梁帽(5)。
4.根据权利要求1或2所述的优化设计方法，其特征在于，所述开孔包括上梁帽开孔 (6)、腹板开孔(7)和下梁帽开孔(8)。
5.根据权利要求1或2所述的优化设计方法，其特征在于，所述开孔(6、7、8)为矩形开孔。
6.根据权利要求1或2所述的优化设计方法，其特征在于，所述开孔(6、7、8)的数目、 尺寸和排布位置依据优化与校核结果确定。
全文摘要
本发明公开了一种基于结构拓扑优化的水平轴风力机叶片的优化设计方法，所述叶片包括腹板(4)、梁帽(3、5)和蒙皮(1)，所述设计方法，包括以下步骤采用现有叶片设计方法，确定叶片的气动外形参数和结构参数；采用拓扑优化方法，对所述结构的梁帽、腹板进行开孔设计；通过优化计算，确定开孔的初步设计位置、数量和尺寸；对拓扑优化所获得的叶片结构进行强度、刚度和疲劳校核，根据校核结果，再进行结构调整，以保证叶片具有良好的结构性能。通过在腹板、梁帽上设置开孔的设计方法，可实现在保持叶片结构强度、刚度与抗疲劳性能的同时，减轻了其重量，不仅降低叶片成本，同时也有利于减少叶片载荷。
文档编号G06F17/50GK102332044SQ20111027649
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者徐建中, 石可重, 赵晓路 申请人:中国科学院工程热物理研究所