基于遗传算法的复合纤维风力机叶片结构铺层优化与应用

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1、第一章绪论第一章绪论1.1课题研究背景和意义本课题来源于国家自然科学基金项目“大型风力机叶片复合纤维结构铺层设计及铺放算法研究”（51165028）。风能（windenergy）是由于空气流动做功，实现给人类提供能源的一种可再生清洁能源。它是自然界可再生能源（包括波浪能、风能及太阳能等）的主要种类之一。随着全球经济的迅速发展以及人民物质生活水平的不断提高，能源短缺已逐步成为制约人类社会发展的主要因素之一。除此之外，传统能源（煤炭、石油、天然气等化石能源）对生态环境产生污染及破坏，其副作用已逐步显现[1]。我国的多个地区饱受雾霾问题的困扰，若

2、要从根本上加以解决，风能作为清洁能源的合理利用以及风电行业的合理发展必将成为解决问题的关键因素之一。据中国风能协会数据统计，2013年全国风电累计装机容量为91413MW，比2012年增加16809MW。与2010年以前相比，近年来，风[2]电新增装机容量逐步企稳回升。现如今，全球处于经济低迷的状态，与其他行业相比，风电行业的年增长率在制造行业中表现出良好的发展势头。图1-1中国风电新增及累计装机容量趋势图Fig.1-1China'swindpowernewandcumulativeinstalledcapacitytrendchart我国

3、在多兆瓦级风电机组研制方面并没有突出表现，但是新安装的风电机组平均功率却在却在逐步增加。单机大功率机组不仅是主流风电机组机型，而且也逐步成为最基本的机型。技术方面的相对落后对风电发展制约已日趋明显。1万方数据内蒙古工业大学硕士学位论文图1-2中国新增风电装机容量单机功率分布图Fig.1-2China'snewwindpowerinstalledcapacityofsinglepowerdistribution内蒙古特有的典型草原、荒漠等地貌地形特点，为风能的产生提供了天然形成条件。自治区内可开发风能资源占全国可开发量的50%，居于全国首位。

4、目前，内蒙古电网风电装机1139.621万千瓦，排行各省第一，其中，西部是我国可再生清洁能源发电发展最迅猛的地区[2]。然而，我国目前拥有的风力机叶片（引进的或者自主开发的）均没有对内蒙古特有的风场条件进行针对性设计考虑。低温、风沙、结冰等外界环境因素的影响导致内蒙古地区风力机叶片故障率高居不下。为此，开展适于内蒙古地区风资源环境的风力机叶片研究具有重要意义[3]。风力机叶片设计的初始目的是寻求动力学效率和结构设计的平衡[4]。如何将设计原则和制造工艺相结合，并找出保证风力机叶片性能、质量和成本之间的最优方案，已成为亟待解决的问题。目前，大

5、型风力机叶片主要采用复合纤维铺放而成，充分利用玻璃纤维电绝缘性好、机械强度高、性能可设计等优点，可有效降低叶片重量，提高叶片刚度、强度及抗疲劳等性能[5-7]。风力机所处工作环境复杂，导致其受力情况相对复杂，而叶片作为主要承力部件承担了大部分载荷，其结构性能是否优异及可靠程度对风力机的稳定运行具有至关重要的作用。针对风力机叶片结构性能的分析，国内外比较统一的方法是有限元分析法。复合纤维风力机叶片为典型非等厚度铺放的非回转体结构，其承受载荷复杂多变，为得到叶片最优铺层方案，设计时应充分考虑叶片内部结构、铺层基本准则及工程实际，以保证在不同工况

6、下叶片的刚强度满足设计及使用要求[8]。2万方数据第一章绪论因此，针对复合纤维风力机叶片结构铺层的优化设计研究，可为风力机叶片的设计制造提高一定理论及技术支持，对研发满足内蒙古地区风场条件的复合纤维风力机叶片及促进我国风电事业的发展具有重要意义。1.2复合纤维风力机叶片铺层优化设计的国内外研究现状铺层设计是复合纤维结构设计区别于金属材料结构设计特有的新的设计内容。通过铺层设计来实现材料的可设计性，进行强度、刚度、稳定性、损伤阻抗、损伤容限等性能的设计。其内容主要包括层压板中纤维取向设计（即角度设计）、铺层顺序设计以及铺层厚度设计，不同参数对

7、层合板性能有不同的影响，设计时应该兼顾各方面性能要求，综合考虑[9]。在复合纤维铺层优化方面，Zehnder[10]基于遗传算法对复合纤维层合板进行了全局优化；Tang[11]、Lin[12-13]等将遗传算法和有限元分析法有机结合，对复合纤维层合结构进行了铺层优化；Erdal[14]采用模拟退火法（SimulatedAnnealing）对复合纤维铺层结构进行优化设计；Liu等[15-17]通过对遗传算法进行改进，有效地缩短了铺层顺序的计算时间，极大地提高了计算效率；Sargent[18]在进行复合纤维铺层材料结构优化设计时将遗传算法与其他

8、随机搜寻算法对比，研究两种算法在复合纤维铺层设计时的优劣性；Callahan[19]对已设定好纤维取向的复合纤维铺层顺序进行了优化；Kim[20-22]和Todoroke[23-