設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法和裝置，該方法包括：獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)；根據(jù)葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行初步計(jì)算得出收斂的葉片載荷；利用收斂的葉片載荷使用遺傳迭代算法進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；對葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的載荷和剛度條件進(jìn)行篩選，并保存符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；按照預(yù)設(shè)的排序條件對符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，根據(jù)排序優(yōu)先的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成葉片設(shè)計(jì)圖紙。從而將風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)過程有針對性的進(jìn)行前期初步設(shè)計(jì)和后期的詳細(xì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)先粗后細(xì)的設(shè)計(jì)流程，減小了計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，綜合考慮了氣動設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的性能要求，避免了追求單一目標(biāo)所產(chǎn)生的優(yōu)化結(jié)果不匹配。
【專利說明】設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法和裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個(gè)核心部件，葉片的好壞直接決定著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量、重量、可靠性等一系列關(guān)鍵的參數(shù)。隨著風(fēng)機(jī)尺寸的逐漸增大，葉片的設(shè)計(jì)也變得越加復(fù)雜。
[0003]葉片設(shè)計(jì)是一項(xiàng)跨學(xué)科的系統(tǒng)項(xiàng)目，涉及了空氣動力學(xué)，復(fù)合材料及力學(xué)，流體力學(xué)，載荷計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域。葉片需要經(jīng)過細(xì)致的設(shè)計(jì)以便實(shí)現(xiàn)付出最小的成本獲得最大的輸出效率。從而葉片設(shè)計(jì)過程需要獲得氣動設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)效率的最合理的平衡。但是氣動外形對載荷有影響，進(jìn)一步反饋到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，如果氣動設(shè)計(jì)的結(jié)果超出了結(jié)構(gòu)所能承受的范圍，就需要重新修正，相應(yīng)的效率也要被重新計(jì)算?，F(xiàn)有風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)，葉片設(shè)計(jì)一般分為氣動設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及載荷計(jì)算三個(gè)模塊。其中，
[0004]氣動設(shè)計(jì)，該過程中的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括:功率系數(shù)，年發(fā)電量，葉尖速度，葉尖速比等葉片參數(shù)。目前普遍采用動量葉素理論或其修正版本進(jìn)行設(shè)計(jì)。在此過程中，不涉及對葉片的結(jié)構(gòu)或者載荷計(jì)算的考量。
[0005]載荷計(jì)算，該過程采用氣動設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果對葉片進(jìn)行載荷仿真。目前普遍采用成熟的Bladed、Flex、FAST等仿真商業(yè)軟件進(jìn)行。由于該過程只能根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真得出結(jié)果，不能由仿真結(jié)果可逆得出相應(yīng)風(fēng)機(jī)的氣動外形和結(jié)構(gòu)。因此，載荷計(jì)算并沒有集成到葉片的氣動設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中。
[0006]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該過程中的設(shè)計(jì)目標(biāo)為:葉片的質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，目前普遍采用復(fù)合材料力學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0007]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法的示意圖，如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法包括:首先利用動量葉素理論計(jì)算生成葉片的氣動外形，根據(jù)該氣動外形結(jié)合根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估得到的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)使用仿真軟件進(jìn)行載荷計(jì)算，根據(jù)載荷計(jì)算的結(jié)果對上述葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正，對比修正前后的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)以判斷葉片結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)是否收斂，如果葉片結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)收斂，則保存修正后的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，如果葉片結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)不收斂，利用修正后的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行下一循環(huán)的葉片設(shè)計(jì)。最終，在修正后的葉片結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中進(jìn)行篩選最優(yōu)方案。
[0008]上述設(shè)計(jì)方法從技術(shù)方面主要存在以下缺陷:
[0009]葉片設(shè)計(jì)的過程始終使用同一計(jì)算流程進(jìn)行，缺少優(yōu)化流程，計(jì)算量大但效果一般。
[0010]氣動設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算三個(gè)設(shè)計(jì)過程相對獨(dú)立，優(yōu)化的目標(biāo)不統(tǒng)一。
[0011]載荷計(jì)算過程需要將設(shè)計(jì)人員導(dǎo)入氣動外形數(shù)據(jù)和葉片結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，計(jì)算周期長，單一的仿真過程無法與氣動設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效集成。
[0012]載荷計(jì)算需要輸入氣動設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)載荷計(jì)算的結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在下一輪設(shè)計(jì)過程中，就出現(xiàn)了氣動設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)版本不匹配的問題，也就是說載荷仿真輸入的參數(shù)是本輪氣動設(shè)計(jì)和上一輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)。例如，第N次循環(huán)的載荷采用的參數(shù)為第N次循環(huán)中氣動設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)和第(N-1)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而本次循環(huán)的計(jì)算結(jié)果需要依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，設(shè)計(jì)效果不理想。
[0013]針對現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)計(jì)葉片的方法缺少對數(shù)據(jù)的優(yōu)化流程導(dǎo)致計(jì)算量大的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明旨在提供一種設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法和裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)計(jì)葉片的方法缺少對數(shù)據(jù)的優(yōu)化流程導(dǎo)致計(jì)算量大的問題。
[0015]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法。
[0016]本發(fā)明提供的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法包括:獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)；根據(jù)葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行初步計(jì)算得出收斂的葉片載荷；利用收斂的葉片載荷使用遺傳迭代算法進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；對葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的載荷和剛度條件進(jìn)行篩選，并保存符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；按照預(yù)設(shè)的排序條件對符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，根據(jù)排序優(yōu)先的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成葉片設(shè)計(jì)圖紙。
[0017]進(jìn)一步地，利用收斂的葉片載荷使用遺傳迭代算法進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)包括:隨機(jī)生成葉片的氣動外形；根據(jù)氣動外形和收斂的葉片載荷對葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行遺傳迭代計(jì)算；對葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行載荷仿真計(jì)算以得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
[0018]進(jìn)一步地，隨機(jī)生成葉片的氣動外形之后還包括:判斷氣動外形是否符合預(yù)設(shè)的氣動結(jié)構(gòu)條件；當(dāng)氣動外形不符合預(yù)設(shè)的氣動結(jié)構(gòu)條件時(shí)，重新隨機(jī)生成葉片的氣動外形。
[0019]進(jìn)一步地，保存符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之后還包括:判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)；如果迭代次數(shù)小于預(yù)設(shè)的次數(shù)，重新隨機(jī)生成葉片的氣動外形，并利用已經(jīng)保存的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遺傳迭代運(yùn)算。
[0020]進(jìn)一步地，按照預(yù)設(shè)的排序條件對符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序包括:按照下列條件中的至少一項(xiàng)對符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序:葉片的載荷大小、葉片的質(zhì)量大小、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量大小。
[0021]進(jìn)一步地，對葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行載荷仿真計(jì)算包括:將氣動外形的數(shù)據(jù)和葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)換為載荷計(jì)算軟件的輸入格式；將轉(zhuǎn)換格式后的氣動外形的數(shù)據(jù)和葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入載荷計(jì)算軟件；調(diào)用載荷計(jì)算軟件進(jìn)行載荷計(jì)算。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置，該設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置包括:設(shè)計(jì)目標(biāo)獲取模塊，用于獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)；初步設(shè)計(jì)模塊，用于根據(jù)葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行初步計(jì)算得出收斂的葉片載荷；優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，用于利用收斂的葉片載荷使用遺傳迭代算法進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)篩選模塊，用于對葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的載荷和剛度條件進(jìn)行篩選，并保存符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；圖紙生成模塊，用于按照預(yù)設(shè)的排序條件對符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，根據(jù)排序優(yōu)先的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成葉片設(shè)計(jì)圖紙。
[0023]進(jìn)一步地，優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊包括:氣動外形生成子模塊，用于隨機(jī)生成葉片的氣動外形；遺傳迭代運(yùn)算子模塊，用于根據(jù)氣動外形和收斂的葉片載荷對葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行遺傳迭代計(jì)算；載荷仿真子模塊，用于對葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行載荷仿真計(jì)算以得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
[0024]進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置還包括:遺傳結(jié)束判斷模塊，用于判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)。
[0025]應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法包括:獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)；根據(jù)葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行初步計(jì)算得出收斂的葉片載荷；利用收斂的葉片載荷使用遺傳迭代算法進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；對葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的載荷和剛度條件進(jìn)行篩選，并保存符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；按照預(yù)設(shè)的排序條件對符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，根據(jù)排序優(yōu)先的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成葉片設(shè)計(jì)圖紙。將風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)過程分為初步設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩步，有針對性的進(jìn)行前期初步設(shè)計(jì)和后期的詳細(xì)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)先粗后細(xì)的設(shè)計(jì)流程，減小了計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，綜合考慮了氣動設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的性能要求，避免了追求單一目標(biāo)所產(chǎn)生的優(yōu)化結(jié)果不匹配問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0027]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法的示意圖；
[0028]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置的示意圖；
[0029]圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法的示意圖；
[0030]圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0032]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法和裝置，圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置的示意圖，如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置包括:設(shè)計(jì)目標(biāo)獲取模塊11，用于獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)；初步設(shè)計(jì)模塊12，用于根據(jù)所述葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行初步計(jì)算得出收斂的葉片載荷；優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊13，用于利用收斂的葉片載荷使用遺傳迭代算法進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)篩選模塊14，用于對葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的載荷和剛度條件進(jìn)行篩選，并保存符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；圖紙生成模塊15，用于按照預(yù)設(shè)的排序條件對符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，根據(jù)排序優(yōu)先的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成葉片設(shè)計(jì)圖紙。
[0033]本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置利用設(shè)計(jì)目標(biāo)獲取模塊11自動獲取葉片的設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過初步設(shè)計(jì)模塊12和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊13將風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)過程分為初步設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩步，有針對性的進(jìn)行前期初步設(shè)計(jì)和后期的詳細(xì)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)先粗后細(xì)的設(shè)計(jì)流程。其中初步設(shè)計(jì)模塊12可以使用類似現(xiàn)有技術(shù)的方法，通過對葉片的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行是否收斂的判斷，但判斷的依據(jù)比現(xiàn)有技術(shù)放寬，從而減小計(jì)算量，初步設(shè)計(jì)模塊12將收斂的葉片載荷提供給優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊13，后續(xù)的數(shù)據(jù)的優(yōu)化過程由優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊13進(jìn)行。
[0034]其中，優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊13具體可以包括:氣動外形生成子模塊，用于隨機(jī)生成葉片的氣動外形；遺傳迭代運(yùn)算子模塊，用于根據(jù)所述氣動外形和所述收斂的葉片載荷數(shù)據(jù)對葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行遺傳迭代計(jì)算；載荷仿真子模塊，用于對所述葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行載荷仿真計(jì)算以得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
[0035]氣動外形生成子模塊隨機(jī)從氣動數(shù)據(jù)庫中生成一定數(shù)量的氣動外形，為了避免生成的氣動外形太極端造成后續(xù)設(shè)計(jì)出的葉片結(jié)構(gòu)明顯無法實(shí)現(xiàn)，該氣動外形生成子模塊還可以在隨機(jī)生成葉片的氣動外形之后，判斷生成的氣動外形是否符合預(yù)設(shè)的氣動結(jié)構(gòu)條件；當(dāng)氣動外形不符合預(yù)設(shè)的氣動結(jié)構(gòu)條件時(shí)，重新隨機(jī)生成葉片的氣動外形。預(yù)設(shè)的氣動結(jié)構(gòu)條件可以包括該氣動外形是否滿足功率系數(shù)Cp、年發(fā)電量AEP以及額定風(fēng)速 '，并保證主梁厚度分布和蒙皮厚度分布在合理的數(shù)值區(qū)間內(nèi)，以上判斷條件和分布數(shù)值區(qū)間可以根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)預(yù)先設(shè)定。
[0036]本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置還可以包括遺傳結(jié)束判斷模塊，在經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選模塊14的數(shù)據(jù)篩選后，該遺傳結(jié)束判斷模塊用于判斷遺傳計(jì)算過程是否已經(jīng)結(jié)束，即迭代次數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)，如果遺傳計(jì)算過程未結(jié)束，則由優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊13重新隨機(jī)生成葉片的氣動外形，并利用已經(jīng)保存的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遺傳迭代運(yùn)算。如果遺傳計(jì)算過程結(jié)束，則輸出葉片的最終設(shè)計(jì)結(jié)果。
[0037]在輸出葉片的最終設(shè)計(jì)結(jié)果后，圖紙生成模塊15對符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，具體的排序條件可以包括葉片的載荷大小、葉片的質(zhì)量大小、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量大小中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)，比如針對上述條件設(shè)定不同的加權(quán)值，根據(jù)加權(quán)累加運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行排序。
[0038]載荷仿真子模塊的工作流程具體可以包括:將氣動外形的數(shù)據(jù)和葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)換為載荷計(jì)算軟件的輸入格式；將轉(zhuǎn)換格式后的氣動外形的數(shù)據(jù)和葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入載荷計(jì)算軟件；調(diào)用載荷計(jì)算軟件進(jìn)行載荷計(jì)算。從而實(shí)現(xiàn)自動調(diào)用載荷計(jì)算軟件進(jìn)行載荷計(jì)算，解決了現(xiàn)有技術(shù)中載荷計(jì)算由設(shè)計(jì)人員手工導(dǎo)入氣動外形數(shù)據(jù)和葉片結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，計(jì)算周期長，使載荷仿真過程與氣動設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效集成，統(tǒng)一了優(yōu)化目標(biāo)。
[0039]本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法，該方法可以通過本發(fā)明上述實(shí)施例所提供的任一種設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置來執(zhí)行，圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法的示意圖，如圖3所示，該方法包括以下步驟:
[0040]步驟S11，獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)；
[0041]步驟S12，根據(jù)葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行初步計(jì)算得出收斂的葉片載荷；
[0042]步驟S13，利用收斂的葉片載荷使用遺傳迭代算法進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；
[0043]步驟S14，對葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的載荷和剛度條件進(jìn)行篩選，并保存符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；
[0044]步驟S15，按照預(yù)設(shè)的排序條件對符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，根據(jù)排序優(yōu)先的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成葉片設(shè)計(jì)圖紙。
[0045]本實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法的設(shè)計(jì)過程分為初步設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩步，有針對性的進(jìn)行前期初步設(shè)計(jì)和后期的詳細(xì)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)先粗后細(xì)的設(shè)計(jì)流程。其中初步設(shè)計(jì)過程可以使用類似現(xiàn)有技術(shù)的方法，通過對葉片的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行是否收斂的判斷，但判斷的依據(jù)比現(xiàn)有技術(shù)放寬，從而減小計(jì)算量，數(shù)據(jù)的優(yōu)化過程由優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行。
[0046]其中，步驟S13具體可以包括:隨機(jī)生成葉片的氣動外形；根據(jù)所述氣動外形和所述收斂的葉片載荷對葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行遺傳迭代計(jì)算；對所述葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行載荷仿真計(jì)算以得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。步驟S13中對步驟S12得出的收斂載荷進(jìn)行校核，效率更聞。
[0047]從氣動數(shù)據(jù)庫中生成一定數(shù)量的氣動外形，為了避免生成的氣動外形太極端造成后續(xù)設(shè)計(jì)出的葉片結(jié)構(gòu)明顯無法實(shí)現(xiàn)，在隨機(jī)生成葉片的氣動外形之后，還可以包括:判斷生成的氣動外形是否符合預(yù)設(shè)的氣動結(jié)構(gòu)條件；當(dāng)氣動外形不符合預(yù)設(shè)的氣動結(jié)構(gòu)條件時(shí)，重新隨機(jī)生成葉片的氣動外形。預(yù)設(shè)的氣動結(jié)構(gòu)條件可以包括該氣動外形是否滿足功率系數(shù)Cp、年發(fā)電量AEP、額定風(fēng)速Vp主梁厚度分布和蒙皮厚度分布的要求，以上判斷條件可以根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)預(yù)先設(shè)定。通過這一步驟，可以過濾掉不符合要求的氣動外形設(shè)計(jì)，節(jié)省了后續(xù)計(jì)算的時(shí)間。
[0048]本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法在步驟S14之后，還可以包括判斷遺傳迭代是否已經(jīng)結(jié)束的步驟，具體而言，判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)，除此之外也可以人工設(shè)定其他遺傳結(jié)束條件。當(dāng)判斷如果遺傳迭代未結(jié)束，則返回執(zhí)行步驟S13重新隨機(jī)生成葉片的氣動外形，并利用已經(jīng)保存的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遺傳迭代運(yùn)算。如果遺傳計(jì)算過程結(jié)束，則輸出葉片的最終設(shè)計(jì)結(jié)果。
[0049]在輸出葉片的最終設(shè)計(jì)結(jié)果后，對符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，具體的排序條件包括葉片的載荷大小、葉片的質(zhì)量大小、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量大小中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)，t匕如針對上述條件設(shè)定不同的加權(quán)值，根據(jù)加權(quán)運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行排序。使設(shè)計(jì)出的風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)更符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。
[0050]優(yōu)選地，對葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行載荷仿真計(jì)算包括:將氣動外形的數(shù)據(jù)和葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)換為載荷計(jì)算軟件的輸入格式；將轉(zhuǎn)換格式后的氣動外形的數(shù)據(jù)和葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入載荷計(jì)算軟件；調(diào)用載荷計(jì)算軟件進(jìn)行載荷計(jì)算。從而實(shí)現(xiàn)自動調(diào)用載荷計(jì)算軟件進(jìn)行載荷計(jì)算，解決了現(xiàn)有技術(shù)中載荷計(jì)算由設(shè)計(jì)人員手工導(dǎo)入氣動外形數(shù)據(jù)和葉片結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，計(jì)算周期長，使載荷仿真過程與氣動設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效集成，統(tǒng)一了優(yōu)化目標(biāo)。
[0051]從而本實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法，通過采用將葉片氣動設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和載荷計(jì)算程序化，通過程序自動調(diào)用相關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、輸出的自動化。圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法的流程圖，該流程圖基于一個(gè)兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)過程，如圖所示，該方法具體流程為:
[0052]獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，確定葉片的目標(biāo)參數(shù)，包括葉片的長度、額定風(fēng)速
坐寸o
[0053]進(jìn)行初步設(shè)計(jì),通過初步氣動設(shè)計(jì)、初步載荷計(jì)算、初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),判斷結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是否收斂，如果不收斂進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算，最終獲得收斂后的葉片載荷，為優(yōu)化設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度校核步驟提供載荷數(shù)據(jù)。判斷結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是否收斂的依據(jù)為看本次迭代后結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與迭代前的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的差值是否小于預(yù)定量。
[0054]進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過遺傳迭代算法隨機(jī)生成氣動外形；[0055]判斷氣動外形是否符合結(jié)構(gòu)判據(jù)，排除不合格的氣動外形，氣動外形的結(jié)構(gòu)判據(jù)包括功率系數(shù)Cp、年發(fā)電量AEP、額定風(fēng)速1、主梁厚度分布和蒙皮厚度分布等。
[0056]根據(jù)上述氣動外形和初步設(shè)計(jì)中得到的收斂的葉片載荷對葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行遺傳迭代計(jì)算，計(jì)算葉片各截面需要的材料分布和相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及強(qiáng)度校核，主要計(jì)算的數(shù)據(jù)包括:主梁帽厚度、蒙皮厚度，從而可以得到葉片各截面的剛度、質(zhì)心位置和面質(zhì)量，將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為載荷計(jì)算軟件的輸入格式，作為載荷計(jì)算的輸入?yún)?shù)。
[0057]調(diào)用載荷計(jì)算軟件，對一些關(guān)鍵工況進(jìn)行計(jì)算，輸出載荷仿真結(jié)果。此處的關(guān)鍵工況包括DLC1.3，DLC1.5，DLC1.6和DLC1.7。與初步設(shè)計(jì)時(shí)所有工況全部計(jì)算不同，這里只需模擬上述幾個(gè)關(guān)鍵工況，因?yàn)闃O限載荷大多出現(xiàn)在上述工況。
[0058]對載荷計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行篩選，排除一些載荷和剛度不滿足要求的個(gè)體，比如針對不同葉片，葉根的極限彎矩有特定要求。另外，葉片的剛度要滿足葉片的最小凈空，即為保證葉片和塔筒見的安全距離，葉片的變形不宜過大。
[0059]保存符合要求的個(gè)體，
[0060]判斷遺傳計(jì)算優(yōu)化是否已經(jīng)結(jié)束，根據(jù)判斷結(jié)果繼續(xù)下一輪的優(yōu)化或優(yōu)化結(jié)束。
[0061]遺傳迭代的算法具體流程可以為包括:首先隨機(jī)生成30個(gè)符合上述氣動和結(jié)構(gòu)要求的個(gè)體，并進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)計(jì)算和載荷、剛度校核，得到若干個(gè)完全符合要求的個(gè)體，這些個(gè)體被保存并記錄，這標(biāo)志著第一代計(jì)算結(jié)束。這些完全符合要求的個(gè)體再一次進(jìn)行雜交，直到產(chǎn)生27個(gè)滿足氣動和結(jié)構(gòu)要求的個(gè)體，同時(shí)再隨機(jī)生成3個(gè)滿足氣動要求和結(jié)構(gòu)要求的個(gè)體，這些組成了第二代，隨機(jī)生成3個(gè)的原因是保持種群多樣性，避免內(nèi)部雜交導(dǎo)致最終出現(xiàn)過多雷同或者重復(fù)的結(jié)果。第二代繼續(xù)重復(fù)這第一代進(jìn)行的計(jì)算和迭代，以此類推，直到第三十代，所有完全符合要求的個(gè)體都被保存，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的過濾條件進(jìn)行排序。每次迭代取優(yōu)去次，使得結(jié)果不斷趨于優(yōu)化，最終獲得最優(yōu)解。
[0062]對符合要求的設(shè)計(jì)方案個(gè)體進(jìn)行排序，排序條件可自行設(shè)定。排序的具體方法是，分別為葉片的載荷、葉片的質(zhì)量、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量設(shè)定不同的加權(quán)值，將上述參數(shù)按照加權(quán)值進(jìn)行加權(quán)疊加運(yùn)算得出每個(gè)個(gè)體的加權(quán)計(jì)算值，根據(jù)加權(quán)運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行排序，最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案為加權(quán)值最高的個(gè)體。通過排序使設(shè)計(jì)出的風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)更符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。最終將排序優(yōu)先的一項(xiàng)或幾項(xiàng)生成葉片圖紙，并進(jìn)行輸出。
[0063]從以上的描述中，可以看出，本發(fā)明上述的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了如下技術(shù)效果:本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法包括:獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)；根據(jù)葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行初步計(jì)算得出收斂的葉片載荷；利用收斂的葉片載荷使用遺傳迭代算法進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；對葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的載荷和剛度條件進(jìn)行篩選，并保存符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；按照預(yù)設(shè)的排序條件對符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，根據(jù)排序優(yōu)先的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成葉片設(shè)計(jì)圖紙。將風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)過程分為初步設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩步，有針對性的進(jìn)行前期初步設(shè)計(jì)和后期的詳細(xì)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)先粗后細(xì)的設(shè)計(jì)流程，減小了計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，綜合考慮了氣動設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的性能要求，避免了追求單一目標(biāo)所產(chǎn)生的優(yōu)化結(jié)果不匹配問題。
[0064]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法，其特征在于，包括: 獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)； 根據(jù)所述葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行初步計(jì)算得出收斂的葉片載荷； 利用所述收斂的葉片載荷使用遺傳迭代算法進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；對所述葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的載荷和剛度條件進(jìn)行篩選，并保存符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)； 按照預(yù)設(shè)的排序條件對所述符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，根據(jù)排序優(yōu)先的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成葉片設(shè)計(jì)圖紙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法，其特征在于，利用所述收斂的葉片載荷使用遺傳迭代算法進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)包括: 隨機(jī)生成葉片的氣動外 形； 根據(jù)所述氣動外形和所述收斂的葉片載荷對葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行遺傳迭代計(jì)算； 對所述葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行載荷仿真計(jì)算以得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法，其特征在于，隨機(jī)生成葉片的氣動外形之后還包括: 判斷所述氣動外形是否符合預(yù)設(shè)的氣動結(jié)構(gòu)條件； 當(dāng)所述氣動外形不符合預(yù)設(shè)的氣動結(jié)構(gòu)條件時(shí)，重新隨機(jī)生成葉片的氣動外形。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法，其特征在于，保存符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之后還包括: 判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)； 如果迭代次數(shù)小于預(yù)設(shè)的次數(shù)，重新隨機(jī)生成葉片的氣動外形，并利用已經(jīng)保存的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遺傳迭代運(yùn)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法，其特征在于，按照預(yù)設(shè)的排序條件對所述符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序包括: 按照下列條件中的至少一項(xiàng)對所述符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序:葉片的載荷大小、葉片的質(zhì)量大小、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量大小。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方法，其特征在于，對所述葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行載荷仿真計(jì)算包括: 將所述氣動外形的數(shù)據(jù)和所述葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)換為載荷計(jì)算軟件的輸入格式； 將轉(zhuǎn)換格式后的所述氣動外形的數(shù)據(jù)和所述葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入載荷計(jì)算軟件； 調(diào)用所述載荷計(jì)算軟件進(jìn)行載荷計(jì)算。
7.一種設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置，其特征在于，包括: 設(shè)計(jì)目標(biāo)獲取模塊，用于獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)； 初步設(shè)計(jì)模塊，用于根據(jù)所述葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行初步計(jì)算得出收斂的葉片載荷；優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，用于利用所述收斂的葉片載荷使用遺傳迭代算法進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)篩選模塊，用于對所述葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的載荷和剛度條件進(jìn)行篩選，并保存符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)； 圖紙生成模塊，用于按照預(yù)設(shè)的排序條件對所述符合要求的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，根據(jù)排序優(yōu)先的葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成葉片設(shè)計(jì)圖紙。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置，其特征在于，所述優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊包括: 氣動外形生成子模塊，用于隨機(jī)生成葉片的氣動外形； 遺傳迭代運(yùn)算子模塊，用于根據(jù)所述氣動外形和所述收斂的葉片載荷對葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行遺傳迭代計(jì)算； 載荷仿真子模塊，用于對所述葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行載荷仿真計(jì)算以得到葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的裝置，其特征在于，還包括:遺傳結(jié)束判斷模塊，用于判斷迭代次數(shù)是否`達(dá)到預(yù)設(shè)的次數(shù)。
【文檔編號】G06F17/50GK103514308SQ201210210721
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月20日
【發(fā)明者】唐超, 程江濤, 肖鵬 申請人:華銳風(fēng)電科技(集團(tuán))股份有限公司