文档介绍：中图分类号: 论文编号:1028701 13-S023
学科分类号:080103
硕士学位论文
大型风力机叶片优化设计
与结构校核
研究生姓名罗源
学科、专业流体力学
研究方向计算流体力学
指导教师王同光教授
南京航空航天大学
研究生院航空宇航学院
二О一二年十二月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Aerospace Engineering
Optimization Design and Structure Analysis
of Large-scale Wind Turbine Blades
A Thesis in
Fluid Mechanics
By
Luo Yuan
Advised by
Wang Tongguang
Submitted in Partial Fulfillment
of the Requirements
for the degree of
Master of Engineering
December, 2012
承诺书
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(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)
作者签名:
日期:
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
本文从风力机叶片气动设计、载荷评估、材料属性及结构设计出发,结合改进的 NSGA-II
优化算法,以叶片功率最大和叶片重量最小为优化目标,给出了满足设计要求的 风
力机叶片的最优解集,并提取出最佳结果进行了详细的结构校核。
根据风力机叶片的梁理论及多闭室薄壁结构剖面剪流的计算原理,并以矩形单元法和梯形
单元法为基础,推导出适用于风力机叶片这种多材料铺层结构的薄壁翼型截面正应力及剪应力
计算的工程算法。利用该算法,结合气动、材料及载荷的输入,在给定截面安全系数的情况下,
可快速优化出叶片的各截面,并计算各截面在极限载荷作用下的截面特性和静强度,包括各截
面的线质量、刚度、正应力及剪流分布等。同时,还利用 ANSYS 有限元软件创建了叶片各截
面的等截面模型,验证了该工程算法的正确性。以工程算法输出的截面特性为基础,结合梁理
论假设,提出了叶片挠度计算及模态分析的数值方法,完善了叶片基础校核的内容和过程。
在 APDL 语言的基础上,本文形成了风力机叶片有限元自动建模的算法,并自动生成了设
计叶片的精细化有限元模型。在加载极限载荷的情况下,对叶片材料的静强度、叶片的挠度、
固有频率及稳定性进行了分析,证明了本文优化结果的可靠性。此外,本文以三维的有限元校
核结果为基础,对二维工程算法在正应力、挠度及固有频率计算上进行了验证,得到非常满意
的结果,进一步证实了工程算法的正确性。
关键词:风力机叶片;优化设计;工程算法;结构校核;有限元建模
I
大型风力机叶片优化设计与结构校核
ABSTRACT
prehensive consideration of aerodynamic design, load evaluation, material properties
and structure design, an improved NSGA - II optimization algorithm is given in this paper to obtain
the optimal solution set for large-size wind turbine blades. Using this method and taking the
maximum power and minimum mass as the optimization objective