【word】 基于试验设计法的风机叶片铺层结构分析及优化

【word】 基于试验 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 法的风机叶片铺层结构 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 及优化 基于试验设计法的风机叶片铺层结构分析 及优化 第29卷第2期 2012年2月 机电工程 JournalofMechanical&ElectricalEngineering VoI_29No.2 Feb.2012 基于试验设计法的风机叶片铺层结构分析及优化 谢少军,潘柏松,陈栋栋,张兆鑫 (浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310014) =l: 摘要:为了研究分析铺层结构对风力发电机叶片强度的影响,建立了叶片有限元模型,计算获得了各个铺层方案下某型号叶片的强 度指标值,最后,基于实验设计法对叶片铺层结构进行了优化设计.分析结果表明:?45.单层纤维铺层对叶片强度的影响要大于 0.单层纤维铺层;这两类铺层对强度的影响存在耦合作用;基于试验设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 优化设计获得的铺层结构能满足强度要求. 关键词:试验设计方法;风力发电机;叶片强度 中图分类号:TH122;TH614;TK83文献标志码:A文章编 号:1001—4551(2012)02—0159—04 Analysisandoptimizationofplyschedule forwindturbinebladebasedonDOEneDIaeaseon XIEShao-jan,PANBai-song,CHENDong-dong,ZHANGZhao-xin (CollegeofMechanicalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China) Abstract:Inordertostudytheinfluenceonthestrengthofthewindturbinebladebytheplyschedule.thefiniteelementmodelofthe bladewasestablished,andthestrengthindexesofthebladeweregottenatvariousplyschedulesbyFEM.Atlast,theplyschedulewas optimizedbyDOE.Theresearchresultshowsthat?45.plylaminatehasagreatereffectonthestrengthofthebladethan0.plylaminate dose;thesetwokindsoflaminateshavecouplingeffectonthestrengthoftheblade;theplyschedulederivedfromDOEmeetstheblade strengthrequirements. Keywords:DOE;windturbine;bladestrength O引言 铺层结构设计是指对铺层纤维角度和其铺层数 量的设计.为了实现叶片经济效益的最大化,在叶片 结构设计阶段,铺层结构优化设计显得尤为关键.关 于铺层结构的分析与设计已有一些文献报道,如刘旺 玉等…利用叶片有限元模型,结合响应面法,研究了铺 层纤维角度对叶片强度可靠性的影响,结果表明较高 强度可靠指标值的铺层纤维角度在45.附近.Bir和 MiglioreE基于?45.和0.铺层纤维角度,提出了一种铺 层厚度初步设计方法,针对某型号叶片进行了铺层方 案初步设计.但利用该叶片有限元模型,计算分析发 现该叶片在在叶根与翼型过渡区域强度严重不足,表 明文献[2]提出的铺层结构设计方法在叶根与翼型过 渡区域是不适用的. 本研究针对文献[2]某型号叶片气动模型,利用 复合材料有限元法,结合Tsai—wu强度准则,基于试 验设计方法研究分析O.和+45.单层纤维铺层对叶片 强度的影响,并对叶片铺层结构进行优化设计,从而 为叶片复合材料结构设计方法的研究提供基础. 1复合材料结构设计相关理论 1.1复合材料结构分析力学模型 层压板是复合材料结构的基本结构形式,由各单 层复合材料沿厚度方向叠合而成的多层材料,其中各 单层复合材料可以有各自不同的纤维方向.层压板和 收稿日期:2011-09—01 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51075365) 作者简介:谢少军(1986一),男,浙江绍兴人,主要从事机械CAD/CAE 及结构优化设计方面的研究.E—mail:jusel2346789@126.tom 通信联系人:潘柏松,男,教授,硕士生导师.E-mail:panbsz@zjut.edu.cn ? 16O?机电工程第29卷 单层复合材料的构造示意图如图l所示. 单层复合材料是一种很薄的单向复合材料,其纤 维按同一方向整齐排列,如图l(a)所示.沿纤维方向 称为纵向,以1表示;与纤维垂直的方向称为横向,以2 表示;与12平面相垂直的方向,以3表示.如图1(b) 所示,层压板有一个总的坐标系—y,其中轴与单 层材料的3轴一致.各单层材料的纤维方向1方向与 轴方向有一个偏置角0(铺层纤维角度),图中表示 的0为正方向. (a)单层复合材料结构示意图 (b)层压板结构不意图 图1单层复合材料和层压板构造示意图 由图1可见,单层复合材料由纤维和基体组成. 由于纤维和基体材料性能有较大差异,在单层复合材 料层内,沿纤维方向的性能和垂直纤维方向的性能相 差很大,形成了正交各向异性性能.而层压板又是由 不同纤维角度的单层材料层叠而成,所以层压板表现 出更复杂的力学性能. 1.2试验设计方法(DoE) 试验设计方法是指通过设计一系列试验,对一 个过程或系统的输人变量作一些有目的的改变,以便 能观察到和识别出引起输出响应变化的缘由.常用的 试验设计方法有:正交试验设计法,均匀试验设计法, 回归正交设计法,序贯试验设计法等. 正交试验设计法_4是指用正交表安排多因素试验 的方法,由于其具有完成试验要求所需的实验次数 少;数据点的分布均匀;可用相应的极差分析方法,方 差分析方法等对试验结果进行分析等特点而应用广 泛,这正是本研究采用的试验设计方法.试验设计方 法基本术语有:?试验指标:指作为试验研究过程的 因变量,常为试验结果特征的量;?因素:指作试验研 究过程的自变量,常常是造成试验指标按某种规律发 生变化的那些原因.?水平:指试验中因素所处的具 体状态或情况,又称为等级. 正交试验设计法的一般步骤为:?确定试验因 素,水平和试验指标;?设计正交表表头;?依据正交 表进行相关试验并记录试验数据;?试验结果分析. 正交表如表1所示,下面以表1为例讨论了试验 表1L(2)正交表 2s l 霉 Kl 4 K2 1 1 2 2 +),2 ,4 l 2 l 2 YI+Y3 y2+y4 l 2 2 l yt+y4 y2+乃 Max{yl+y2,y3+Max{yl+y3,Y2+Max{yl+Y4,y2+Y 极差y4}一Min{yl+y2,y4}一Min{yl+Y3,3}一Min{yt+Y4,Y y3+Y4}Y2+Y4}2+Y3} 结果分析时的极差分析方法,极差指的是各列中各水 平对应的试验指标平均值的最大值与最小值之差.用 极差法分析正交试验结果,可获得在试验范围内各列 对试验指标的影响从大N/I,的排队.某列的极差最 大,表示该列的数值在试验范围内变化时,对试验指 标的影响最大,反之则最小. 1.3Tsai—Wu强度准则 层压板作为复合材料结构的基本材料具有同常 规金属材料不同的,更复杂的强度破坏机制.复合材 料强度破坏准则还没有统一,目前主要有最大应变失 效准则,最大应力失效准则,Tsai—wu强度失效准则和 Hill—Puck强度失效准则等. Tsai—Wu强度失效准则耦合性地考虑了各个应力 分量及材料抗拉,抗压强度的不等性,且已经实验验 证其能对多种应力状态的复合材料强度失效能成功 预测_5].其表达式为: = lA+Bl(1) 其中: A:一三一一+二+一一万 0”220”22 一 + 12 + llll3333\7』 +++(2)?.?’v/frfcfrfc. C232233 v/dr;/cdrfc+C130”110”33 B:I+}O’tl+l++l+\Orll0”11/\0”220”22/\0”330”33/ (3) 式中::一沿复合材料纤维方向的抗拉强度;一沿 复合材料纤维方向的抗压强度;,一复合材料面内抗 剪强度;C.2,C:3,Cl厂Tsai—wu强度理论耦合系数,町 设定为一1,其余符号含义可类推获得. 第2期谢少军,等:基于试验设计法的风机叶片铺层结构分析及优 化?161? 作为强度失效与否的判据,当强度指标值Fr>1时, 就认为结构不满足强度要求. 2叶片有限元模型 为了便于比较分析,本研究选用了文献[2]给出 的某型号叶片气动外形几何参数,如表2所示.文献 [2]采用的箱型截面结构和铺层纤维角度排布示意图 如图2所示.其前缘由?45.单层纤维铺层铺设而成, 翼梁由?45o,Oo单层纤维铺层和轻木夹心构成,后缘 为+45.单层纤维铺层和轻木夹心,腹板为0.单层纤维 铺层和轻木夹心构成.文献[2]选用的E—glass复合材 料参数如表3所示,其单层厚度为0.53mm,轻木夹 AA 填充图案意义 , , 一一 , ,,/一’,, , , “7”--’--7- 哪哪咖夹心层~--:-:-:i0o铺层臻醋筒黑?45o铺层 图2箱型截面结构示意图 表2叶片几何参数 E11/GPa /GPa Eb|G=Pa G12/GPa G23/GPa Gl3/GPa U12 U23 Ul3 心的弹性模量为187MPa,泊松比为0.3,单层厚度为 3.125mm. IEC614001标准规定在极端风速下,轮毂处风 速为70m/s,风机停机状态下,应只考虑叶片翼缘向载 荷,进行叶片强度校核分析].在该状态下,截面承 受的翼缘向弯矩由叶素动量理论~ll-t3针算获得,如表 2所示.利用ANSYS商用有限元分析软件,本研究选 用8节点Shell281单元,建立了叶片有限元模型. 3铺层纤维角度对强度的影响 由于叶片强度危险区域位于翼型过渡区域,同 时,为了简单起见,本研究假设叶根和翼型过渡区域 的铺层方案是一样的,通过安排?45.和O.单层纤维铺 层数量多个水平的正交试验来分析叶根和翼型过渡 区域的铺纤维角度对叶片强度的影响.?45.和0.单层 纤维铺层的试验水平表如表4所示,根据因素和水平 个数,并考虑2个因素之间交互作用,本研究设计了 (5)的正交试验表,如表5所示,且将叶片最大 Tsai—Wu强度指标值B作为试验指标. 表42因素5水平表 11111 2l222 255543 K163.2174.3137.3138.5 K133.624.942.322.6 K14.511.622.934.0 Ka7.47.312.712.5 K4.55.1815.6 极差158.7169.2 因素主次:B>A>A×B 1 2 :? 1 141.3 21.1 14.2 16.3 30.3 133.9 15.8 0.46 基于表5给出的正交试验表,笔者利用叶片有 限元模型,计算获得了各个铺层方案对应的叶片最 大Tsai—Wu强度指标值B,如表5所示.本研究采用 极差分析,发现?45.单层纤维铺层对叶片强度的影 Jl875922掘 啷珈郴 =曼盯档 387442O0O ? l62?机电工程第29卷 响要大于0.单层纤维铺层,且两者对强度的影响存 在耦合作用. 4铺层结构设计 基于表5给出的?45.和0.单层纤维铺层的正交 表,本研究拟合获得了叶片最大Tsai—wu强度指标值 关于+45.和0.单层纤维铺层数量的响应函数曲面, 该响应函数曲面的等高线图如图3所示.由图3可 见,等高线呈曲线形式,表明了如上所述的+45.和0. 单层纤维铺层对叶片强度存在耦合作用. 最优铺层方案是指既满足强度要求又铺层总数 最少的方案.本研究在此不考虑安全余量,认为Fr=l 时叶片满足强度要求.显然,等高线值为l的曲线上 各点都满足强度要求,而铺层总数最少,指该曲线上 距离坐标原点最近的点,也就是所求的最优铺层方 案.基于图3可获得该叶片3,4号截面的最优铺层 45 40 35 ?】l{30 螺 25 寸 20 l5 lO l0152O253O354O 0.铺层数 图3Tsai—Wu强度指标值响应曲面等高线图 表6优化后铺层方案(只给出了铺层变动的截面) _0?3133400837550i98”303l39310429005441070.6591960.774284083 72 1.0o4 图4强度指标值分布云图 为:28层+45.轴铺层和24层0.轴铺层.对铺层数作 相应的平滑过渡处理后,叶片的最终铺层方案如表6 所示.本研究利用叶片有限元模型,计算发现该铺层 方案满足结构强度要求(其=1),如图4所示. 5结束语 本研究针对某型号风力发电机叶片,通过试验设 计法研究分析了两类铺层角度对风力发电机叶片强 度的影响,获得了0.和?45.两类铺层对叶片强度的影 响特性. 研究结果表明,该研究为风力发电机叶片的铺层 结构优化设计及结构强度特性的研究提供了一定的 帮助,具有一定的实际应用价值. 参考文献【References): [I]刘旺玉,张海全,曾琳.基于响应面法的仿生Jxl力机叶片 可靠性分析[J].太阳能,2010,31(9):1204—1208. 12JBIRGS,MIGLIONPG.Computerizedmethodf0rprelimi— narystructuraldesignofcompositewindturbinebladeslJj. 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