叶片层优化风力涡轮机使用快速和改进微粒群算法。
liaoa,c,*,zhaoa,b, xua,b
摘要：基于刀片层，多条件限制风力涡轮机叶片优化设计模型开发和编程。这种模式是追求最低叶片质量，以减少风力发电机组的生产成本。
因为梁帽的主要部分，在现代社会承受的负载风力涡轮机，梁帽层的厚度和位置的优化选择变量。在设计过程中，很多标准需要得到满足。最大的叶尖偏转是在刀片设计的最重要的标准之一。
然而，为了得到它，至少有130负载情况下需要在工程设计计算，所以这个过程是非常耗时。为了减少计算时间，负载的情况下，提出了在最初的设计最大的尖挠度选择和计算在这个模型的快速软件。此外，改进的粒子群优化（pso）算法，它具有更好的优化能力和效率比原始的pso算法，用来寻找最佳的解决方案。
要建立基于此模型对刀片层，关键模块用于连接的快速和改进pso算法的编程和命名的。在去年，这个优化模型应用于兆瓦风力发电机组的设计。最佳的结果也有由进行了测试。
计算结果表明，该模型是有效的，可以是一个最佳的在工程设计中的设计工具。
关键词：刀片层，优化设计，梁帽，最大叶尖挠度，改进粒子群优化。
1.介绍。刀片是风力涡轮机最重要的部件之一。
其结构有重大影响的稳定和成本风力涡轮机。成本低，重量应该减少。至确保稳定，体重会增加。
因此，设计一个更好的结构的成本和稳定性之间找到一个平衡点是非常有意义的。在近代，叶片的复合材料制成，其中含有玻璃纤维，泡沫，树脂等。多数人叶片组成的玻璃纤维增强环氧树脂。
因此，当它们堆积层和粘合在一起由树脂，不同的参数，如堆叠顺序，纤维方向，材料的堆放位置和大小，将导致不同的属性。为了获得所需的结构性能，上述界定，必须采取特殊照顾参数。此外，一个很大的制约，如强度要求和叶片振动，也必须考虑。
因此，刀片的优化过程是非常复杂的。为了解决这个问题，一些研究人员已经进行了相关研究。卡拉姆[2]选择的截面积，半径回转和各段的长度为圆柱晶石优化变量。
优化设计的追求与尊重最高频率设计准则。优化问题制定一个非线性数学规划问题解决了多维搜索技术。 中号[1]选择壳的厚度，腹板厚度，数量为设计加劲肋加劲肋和安排变量。
目标函数是最小的质量刀片。一个计算机方面的一些程序包使用改进的遗传算法的标准开发。埃里克·伦德[3]提出的屈曲拓扑优化的发展夹层多材料复合壳结构所谓的离散材料优化（dmo）方法。
“但厚度分配不能立即考虑在提出意见的做法。在这篇文章中，层的厚度和位置晶石盖被选中作为设计变量。最优的目的设计模型追求叶片质量的最低采用改进的粒子群优化，降低成本的刀片（pso）算法[5]。
2.刀片层和属性。
刀片是一个多层结构。它主要由晶石帽，抗剪腹板和**。图1是一个复合上篮在一个典型的刀片部分。
因为刀片层分布沿跨度明智的，断面层的信息不能直接获得。因此，一个关键模块名为编程。根据调查结果计算，使用[7]可以得到截如物业的刚度，角线刚度，位置重心和剪切中心。
计算这些性质的一种新方法，集成了修改经典层压板理论剪切流的方法。的显着特点叶片扭转刚度的精确计算和交叉刚度特性。
已被证实与金属刀片椭圆形，长方形的部分分析结果可容易获得。然而，复合材料叶片的**，特别是那些与复合材料的各向异性上篮，需要核实，然后才使用。
为了验证**，有限元法（fem）编**。它假定，刀片是一个悬臂束固定在根。有限元程序的基础上6度自由度（dof）的两个边界节点的元素。
此**两个功能，一个是计算模式的形状和频率使用i方法，另一种是静态计算位移。截面特性，如刚度，作为输入参数。这有限元程序计算的结果是与实验值相比。
详细值表1和图。 从表1和图。 2，我们可以看到，计算值接近实验值。
因此，它可以验证该是正确。
3.气动弹性**。
在本文中，fast（疲劳，空气动力学，结构和湍流）码[6,9]。这是一个全面的气弹能够模拟器**极端和疲劳载荷双和三叶片水平轴风力发电机（hawts）。快速的**模型作为刚性相结合的风力发电机组和灵活的机构。
例如，两个刃，摇摇欲坠的枢纽涡轮机作为刚体和四个灵活的建模。 “刚体地球，机舱，轮毂，和可选的尖端刹车（质点）。灵活的机构，包括叶片，塔，和驱动器轴。
模型连接这些机构的一些自由度。这些包括塔弯曲，弯曲叶片，机舱偏航，转子跷跷板，转子速度和传动轴扭灵活性。灵活的塔每个中脱颖而出，在船尾一侧到另一侧方向的两个模式。
“灵活的刀片有两个模式和一个角线模式每刀片。一个可以打开或关闭这些自由度分别在通过简单地设置一个开关在输入数据文件的分析。快速有两种不同的操作形式，或分析模式（见图3）。
首先分析模式，这是我们在本文中使用，是非线性方程，**。在模拟过程中，风力涡轮机的气动和结构风，确定时间。 “在快速提供分析的第二种形式是线性。
图 3，计算空气动力边界元方法，现在是一个快速的**的一部分。
快速的**验证通过使用几种不同的涡轮模型和许多不同的条件下得到了很好的利用adams协议。与aerodyn快被评估德国劳埃德船级社风能，并找到适合的“陆上风力涡轮机的设计和认证的负荷计算“[6]的。
表1计算结果与实验结果进行比较。
f1是一阶频率； e1是一阶角线频率f2是二阶频率。
4。制定优化问题。
4.1。设计变量。
在一个刀片，晶石上限是行政结构承受力和弯矩。此外，其重量约百分之四十刀片。因此，晶石帽层参数作为设计变量选择。
为晶石，其厚度沿帽跨度明智的是像一个梯形（见图4）。因此它可以参用四点，他们每个人有两个自由变量的厚度ti和层层第十一的位置。如果在第十一的位置，层数n和材料使用相同的，其厚度可写为。
其中t0是一个层的厚度。如果得到ti，n是也。
在本文中，我们设计的刀片具有四个梁帽（见图5），这是两个主梁帽和两个额外的梁帽。有主梁帽和一个额外的压力侧晶石帽和侧吸。对于为了简单优化设计，晶石帽层对双方都是一样的。
因此，只有一方的梁帽的考虑。
在优化设计过程中，需要的是自由变量限制，以适应实际情况。例如，当50层以上，晶石上限将很容易产生缺陷。因此，一些限制值设计变量。
在这篇文章中，第一点的位置和在梁帽的最后一点是固定的。此外，与节点最厚的厚度应具有相同的值。所有这些都可以在下面的不等式形式表示：
凡xi_down和ti_down下界变量是xi和钛分别。 xi_up和ti_up是xi和ti的上限变量分别。
4.2。设计异议。
一般情况下，刀片的质量，更高的刀片大成本。此外，较高的权重也会有一些有害的影响风力发电机组的其余部分。考虑到成本，刀片质量最小为优化反对。这是给出如下：
其中f（十一，ti）为目标函数，即刀片的质量。 xi是晶石帽层的位置。 ti是的晶石帽层的厚度。
4.3。约束条件。
这是不可能制订的优化设计问题作为一个单一的标准，优化任务的风力涡轮机叶片，因为这个过程需要许多标准来加以考虑。在许多情况下，这些标准是相互无法比拟的，不可数有时甚至互相矛盾，这就排除了他们的同时，优化[1]。
在本文中，以下的约束条件考虑。
第一个是叶尖挠度。而设置的值是小于允许值，最大叶尖的偏转dtip_max应不超过程序设定值dset[d]从设计要求。它表示如下：
事实上，少偏转，更好。叶尖挠度确定由负载和截面刚度。然而，负载改变风速和风力涡轮机的运行参数。
也就是说，当风速或俯仰角的变化，叶尖挠度将改变过。因此，在刀片的设计过程中，至少130负载情况下需要找出最大叶尖挠度计算。如果考虑到所有的负载情况，优化设计的过程将是非常费时。
为了减少计算时间，只有少数的负载情况选择**dtip_max。例如，在价。[4]，被认为是四大设计负荷情况下：
1）额定风速12.5米/秒（负载的情况下：1）速度条件；2）额定风速极端阵风条件加上9米/秒（负载的情况下2），3）切出风速25米/秒，加上极端的风速条件下（负载的情况下3）;4）固定负载条件限制在55米/秒（负载的情况下4）风暴。
在参考文献。[8]，用于刀片的设计，只有两个组的负载情况。从上面的不同，在这篇文章中，只有一个负载的情况下被选中**优化设计。
此负载的情况下，是一个由商业软件的详细分析后初步刀片产生。
第二个是频率。更高的频率会减少被兴奋的风力发电机组叶片的响应。一个良好的设计理念，为减少振动是分开的转子转速的谐波结构的固有频率。
这将避免共振，大振幅的振动会严重损坏的结构[2]。在本文中，固有频率为约束，以避免共振。它表示如下：
其中f1（十一，ti）是第一瓣频率的优化设计刀片。f1是目标频率和d是相关的允许公差。
第三个是极端的压力。在材料中产生的应力不能超过允许应力相关。它是在不平等的形式表示：
其中s是应力的材料实际承受。smax为材料的许用应力。
在工程设计中，总是用极端的安全因子（esf）结构是否是安全的。也就是说：
所以，如果英基是大于1，材料是安全的，否则，该材料是不是安全。这是计算了。
第四个是疲劳应力。除了极端的压力，在刀片的材料也承受的疲劳应力，这将使刀片失败。通常情况下，疲劳安全系数（fsf）是用来判断是否是安全的刀片。
像极端的安全系数，fsf的是大于1的啤酒时，叶片结构是安全的。它也被计算了。它可以在不平等的形式表示：
基于上述考虑，刀片优化设计的问题是多条件约束的优化问题。因此，改进的pso算法被用来寻找最佳的解决方案。
不能，因为这只是一个负载的情况下被认为在优化设计和快速计算的esf以及作为fsf的直接，优化后的叶片应验证所有负载情况下，根据德国劳氏船级社标准。
图2.刀片静载挠度。
图3.操作模式[9]。
4.4.选择优化算法。
复合材料的优点是高强度和高弹性模量和各向异性。然而，利用这一优势，需要的形状和大小的纤维内的材料，它提供了一个很好的机会，裁缝材料性能优化和妥善安置。但是，它增加了设计问题的复杂性[10]。
复合材料层合结构的优化设计的主要挑战之一是设计空间非凸性，即结束与当地的最佳解决方案的风险是高[3]。已经提出了一些复合材料结构的优化设计方法。例如，埃里克·隆德使用dmo的方法拓扑优化多材料复合层压壳结构。
在本文中，改进pso算法使用。已核实的改进pso算法[5]这是由作者提出，并在工程设计中的应用。在中国工程热物理学（见参考文献[5]）杂志已发表在相关工作。
它有两个从原来的pso算法的改进[11]。改进之一是，在改进的pso算法，惯性权重降低由数的单调，而在原始的pso算法的惯性权重是一个常数。它表示如下：
其中，p为当前迭代数；根是最大迭代次数； wmax是最大的惯性权重； wmin是最低的惯性权重。
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