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叶片层优化风力涡轮机使用快速和改进微粒群算法 C.C. Liaoa,c,*, X.L. Zhaoa,b, J.Z. 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。 “DMO的方法来解决组合问题的潜力同时选择适当的材料和纤维取向为多层钢板的例子说明了一个简化的shell模型的风力涡轮机叶片的晶石帽。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，抗剪腹板和皮肤。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，复合材料叶片的代码，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。 为了验证代码，有限元法（FEM）编代码。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。此代码两个功能，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.气动弹性仿真 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预测极端和疲劳载荷双和三叶片水平轴风力发电机（HAWTs）。快速的代码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，仿真。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，现在是一个快速的代码的一部分。 快速的代码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（赫兹）E1（赫兹）F2（赫兹）实验0.881.322.20计算0.871.292.25F1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DSETD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预测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预测优化设计。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。 另一个改进是在选择运营商PS把遗传算法（GA），但有没有原始的PSO算法的选择算子。 此外，一种新的方法来降低计算成本，提出了处理约束条件。如果粒子不能满足的约束条件之一，这个粒子的健身将被设置为一个较大的值。本文是99,999 这种改进的PSO算法已通过测试一些一般的测试功能。除在参考文献中给出的结果。5，其他一些结果如下： 例1。 Rosenbrock函数 它具有0的最低值。在计算中，n是等于10。 例2。 rastrigrin功能 它具有0的最低值。在计算中，n是等于10。 例3。 schaffers F6功能 它的最高值1。例4。随着非线性约束优化问题的平等和不平等它拥有1.8的最大价值。 表2给出了相同的计算条件下，通过改进PSO和原始的PSO计算结果。 表2 上面的例子（例如1E4）的计算结果。最好的最差例1原始的PSO717.357363653.04907改进的PSO0.000035.49921例2原始的PSO11.1607224.05259改进的PSO0.00.99495示例3原始的PSO1.01.0改进的PSO1.01.0示例4原始的PSO1.800061.80487改进的PSO1.800001.80000最好的“是指从10次独立计算的最佳值，”最差“意味着从10次独立计算的最差值。 表2表明，改进PSO算法的优化能力优于原始的PSO算法图4：沿跨度的梁帽的厚度参数明智的。图5：我们设计的刀片截面结构。 4.5 建立优化设计模型 这个优化设计模型的目的是设计一个更好的刀片，满足设计要求。 本模型可以分为两部分。一部分是使用程序（见图6）优化设计的最优设计阶段。在这个阶段中，只有第一个约束条件，第二个约束条件考虑。为了减少计算成本，只有一个极端的操作阵风（EOG）负载的情况下被认为是预测dtip_max快速优化设计。运行程序后，我们将比较结果与过程中的约束条件。因为只有一个负载的情况下考虑的约束条件有小于设计要求的范围。 另一部分是验证阶段。这是上述阶段的实施。正如我们所知，根据政府化验标准，至少130负载情况下需要被计算找出了dtip_max。因此，它是不够的，使用一个负载的情况下，预测dtip_max。因为关于dtip_max的条件约束只能限制在上述阶段考虑负载的情况下，可能有其他负载过程中的不考虑个案的过程中考虑的一个dtip_max大于，甚至超过约dtip_max的约束条件。我们只需要检查是否所有的负载情况dtip_max是比D。这也是为什么我们计算的dtip_max，使用考虑在所有负载情况下，这个阶段的焦点的原因。除在dtip_max，英基和FSF将通过FOCUS5考虑所有的负载情况，因为没有那么快可以计算的ESF以及作为FSF的直接计算。然后将检查设计要求的dtip_max，从结果FOCUS5英基，FSF的。如果它满足了设计要求，这是罚款。否则，我们可以减少DSET并再次做了优化设计。5。模型中的应用首先，我想向大家介绍最初的刀片将采用这种模式进行优化。最初的刀片是1.5兆瓦，长度40米以上，在中国的风电场已在使用的商业刀片。它的质量大约是6215公斤。最初的刀片手动调整的基础上多次经验的工程师和邻近的优化设计。因此，要减少的价值是有限的，在很多约束和不使用性能更高的材料。事实上，从不同的公司在市场上使用的40米以上的长度为1.5兆瓦风力发电机叶片质量是在如今约6000公斤。例如，为1.5MWby的中材科技风电叶片有限公司，有限公司，主要的1.5兆瓦风力发电机组在中国刀片供应商，叶片的质量为6150公斤。如果我们能减少刀片的质量，到6100公斤，采用这种模式，它是令人满意的。如果我们能减少刀片的质量6000千克或更少的价值，利用该模型，它是完美的。当然，优化后的打火机刀片必须满足设计要求。否则，它是毫无意义的。5.1。预先指定的变量在优化设计过程中，有些变量是固定值。它们分别是：1）包括叶片长度，弦分布，捻度分布;2）分段参数，包括机翼，皮肤层的几何数据和剪切网络参数;3）风力发电机组的其他部分的参数，如发动机舱的布局参数塔。其他参数类型的材料及其性能。 为了比较它在计算成本价。1，个人的数量是相同的号，因为它。 1。为了降低计算成本，迭代次数是固定的号指它作为一个相对较小的价值。 1。改进PSO算法的相关参数如下：1）个人数：20;2）最大迭代次数：30;3）概率的选择PS：0.1;4）最大的惯性重量：0.6402;5）最小的惯性重量：0.0562。 表3 由该模型计算的最佳结果米（公斤）F1（赫兹ftip_max（M）最初的刀片62150.964.2最佳效果60720.964.3约束条件0.96和1.064.3设置过程中的设计要求62000.96和1.255.7m是刀片的质量表4最佳结果分析FOCUS5最佳效果59544.91.961.24设计要求62005.7 1 1ESFmin是极端的安全系数最低; FSFmin是最低疲劳的安全系数。图6。在第一阶段的优化设计程序流程图。5.2。结果与分析该模型已被用于做10次独立计算。从所有的结果选择最优值。为一次计算，其计算的成本大约是15小时。因此，一代人的平均计算成本是约一个半小时。如果我们增加迭代次数为50，其计算的成本大约是25小时，这仍然是比它少的号。 1（i.e.120，916秒）。表3显示，与最初的刀片相比，最佳值。从表3中，我们可以看到刀片的质量降低，优化后的约140公斤（或2.3）和最佳的结果满足过程中的约束条件。它表明，在第一阶段的优化设计过程是正确和有效的。此外，验证优化结果的可行性，最佳的结果已在详细分析了所有负载情况下的GL标准。计算结果列于表4。由表4中，我们可以发现，最佳的结果符合设计要求。这表明，最佳的结果是可行的。由于刀片质量降低到6072公斤，结果是e的，这个模型是有效的，可以在工程设计中的优化设计工具。从表3不同的刀片质量和表4中的最大的刀片尖偏转，这是因为气弹模型的风力发电机组中的快速和FOCUS5是不同的。事实上，F是上尖挠度计算，尤其是安全性因素分析更准确的模型，但它不能在优化设计过程中使用。然而，快速的可以做到这一点。这就是为什么作者用快速优化设计程序，并验证最佳效果。 从表4中，我们还可以看到，超过表3中的约束条件。这是因为，在表3 只是一个负载的情况下计算的，而在表4 所有负载情况下的计算。因此，这种现象是正常的。这就是为什么我们需要检查所有负载情况下的dtip_max DSET比D。 作为一个例子，厚度的变化过程晶石帽图。 7日和8日在分别独立计算。从图。7日和8日，我们可以看到，主梁帽和额外晶石帽既减少从0到0.1 alongspan明智的厚度。这表明，这种大跨度的位置在刀刃上的固有频率和叶尖挠度的影响比其他沿跨度明智的主要晶石帽增加厚度0.1至0.5，而厚度额外晶石帽的，从0.5到0.9沿跨度明智的，他们是不利的。这表明，我们应该合理调整主梁帽和额外的晶石帽层之间的质量，频率和叶尖挠度达到最佳的平衡点。 实际上，在第一阶段，有关的的约束设置为4.3米，这是唯一的比初始刀片r。如果我们设置一个更大的值，总叶片质量可能会降低。这个约束更大的价值还没有被测试到现在为止。我们将在未来测试。此外，如果我们设计了一个新的刀片，不调整，我们可以减少更多的叶片质量和使用更少的时间比手动调整。 6。结论 首先，刀片层的基础上，多条件约束的优化设计模型，FAST和其他代码集成改进PSO算法，开发和设计的风力涡轮机叶片的编程。 其次，该模型已应用于兆瓦的风力涡轮叶片设计。与最初的刀片相比，是最佳的刀片更好的和可行的。它表明，该模型是有效的。 最后，各种刀片模型可以建立由PreLayers。因此，它可以在工程设计中的优化设计工具。 致谢我们感谢杨石科招，徐永昌，王建龙，王琪，杨林俊杰有益的讨论和对本文的意见。这项工作是由中国国家自然科学基金会的支持（批准号：50876105和50836006号）。 参考文献1 Jureczko M, Pawlak M, Mezyk A, et al. 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