如何实现风机叶片的优化

添加人：admin 发布时间：2010/11/24 11:43:32 来源：中国风机网

几乎所有大型设计项目的首要目标都是如何获得最轻的重量。HyperSizer是一种复合材料结构分析及优化软件，是专为含有复合材料的宇宙飞船设计的，其故障容差为零。这些设计必需在低重量与高强度之间找到枢纽性平衡点。风电行业，依然如斯。在设计风机叶片时，重量起着极其重要的作用。由于叶片更轻，它所采用的原材料就更少，就更易于制造和运输，同时疲惫载荷也就更低。 

因为风机叶片故障率仍高居不下（一项对桑迪亚有记载的风电设备的调查表明叶片故障率高达20%），故障停工代价高，不利于企业，因此，叶片设计师和制造商必需借助最佳方法来设计复合材料。 

以HyperSizer软件为例，它是一种复合材料结构应力分析和尺寸优化工具，可自动与很多有限元分析（(FEA)）解算器共同工作。在一个反馈环路中，HyperSizer软件与有限元分析（(FEA)）解算器共同探索重量最小化、结构完整性和可制造性最大化的解决方案。该软件采用一层接一层，甚至一个有限元接一个有限元的方式对设计进行快速评估，对整套复合材料结构进行分析。同时，对每一种复合材料层压板设计的一切可能组合进行优化，使设计师几乎能够控制一切设计细节。 

 改善风机叶片设计将会进步叶片的效率和机能，削减捕捉风资源的本钱，使风能比石化燃料更具竞争力。为了增加风力发电机的发电容量，就必需增加叶片的长度（一个风电机所能捕捉的风能与其叶片长度面积成正比）。固然叶片的长度在不断增加，但是其重量必需保持尽可能的轻。由于更轻的质量意味着更好的机能，更长的使用寿命，更低的制造本钱和更短的出产周期，所有这些因素都会进步风力发电机在能源市场上的竞争力。HyperSizer软件在航空航天领域留下了宝贵的遗产，它匡助使用者从结构上削减了至少20%的重量，如美国国家航空和宇宙航行局（NASA），美国航空航天公司洛克希德马丁（Lockheed Martin），波音公司（Boeing）和庞巴迪公司（Bombardier）。HyperSizer软件同样合用于风机叶片。 
目前，实用规模风力发电机叶片的直径范围为40米到90米。但是，处于设计阶段的概念叶片和原型叶片的直径惊人的接近145米。跟着叶片变的更长，设计工程题目就变得越来越严峻，诸如结构强度、疲惫机能、抗弯不乱性、叶片硬度、翼尖绕曲度和扭曲限制。简言之，叶片的重量必需尽可能的轻，具备足够维持其空气动力学外形的硬度，同时还要有足够的耐用性来承载风力载荷且无材料损伤。此外，大型叶片必需对重量和硬度进行公道布局，避免因气转动性载荷引起的不不乱性。 



 为了优化叶片设计，此软件从传统有限元分析结束的地方开始。它以一个有限元模型开始，同时与有限元分析解算器天衣无缝的结合，核实风机叶片的结构完整性，猜测所有气转动性载荷情况的故障模式，确定故障位置与载荷，从而达到所需的安全系数。为解决分歧格安全因素，或者选择一种重量更轻的设计，通过对大量备选设计的尺寸和层压板进行调查，该软件可实现最优设计。从模型的设置、运行到测试结果和原始新设计的解读，这一过程通常仅在4小时就能完成。 

为了对假定分析方案、行业研究方案、叶片设计的敏捷性进行评估，HyperSizer软件会纪录风机叶片内部部件的载荷，确定一种板梁概念、横截面尺寸、原材料与接口的最佳组合，风机叶片内部部件的载荷通过有限元分析计算得出，。为了达到这一目标，该软件会对很多不同的失效模式进行分析，所有叶片区域、一切载荷情况和分析都可实现正安全边际（安全系数为1）。此外，该软件还可用于板材设计。例如，蜂窝板或泡沫夹心结构可能都相宜于剪切腹板，而结子的层压板可能最适合叶片前缘。HyperSizer软件可检测不同的连接口及板材横截面外形。 该软件避免了人工计算、离线电子数据表、重建模型及长期运行成批功课。此外，它可对层片脱离和层片增加模式进行评估，有助于发现符合强度要求的最轻层压板，且转移区域最小。 

HyperSizer可对含有螺栓、粘结接口（如剪切腹板与表层）的叶片区域进行评估。对螺栓区域进行分析，优化连接点的厚度，可防止由较重结构引起过度建造的一般性题目。而对粘结接口进行的高级分析则着眼于层间剪切和剥离应力、分层及裂纹萌生的研究。 

材料的内置资料库可控制材料的温度及湿度依靠性机能，同时内置资料库可根据软件公司及项目资料进行定制。数据库包括金属物质（各向同性）、石墨和玻纤系统，夹芯板（蜂窝结构、泡沫结构、合成结构），混成积层板（胶带、织物和金属箔）。有了这一材料清单，使用者就可对100多种基于非有限元分析故障模式的所有载荷情况进行分析。