本文是一篇工程硕士论文,本文对风力机叶片等纤维增强复合材料结构的纤维曲线铺放需求,依据微分几何原理、插值方法、点云技术和有限元思想,以细观纤维铺角分布方案为参照,从铺放路径的构建、评价与优化、密化与修正三个环节对纤维曲线铺放路径规划方法进行了深入研究,获得了具有制造性的纤维曲线铺放路径,为变刚度优化设计方法的工程实际应用提供方法和技术支撑。
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“风力机叶片纤维曲线铺放分区变刚度优化设计方法研究”(项目编号:52165035)。 风能作为可再生的绿色能源,依据其巨大的商业潜力和环保效益,为解决日益严峻的环境能源问题,实现人类社会绿色、可持续发展,提供了重要途径。风力机叶片作为风力机获取风能和能量转换的关键部件,其结构性能的可靠性与运行的稳定性,对风力机组的能量利用和综合经济性起到重要作用[1,2]。
当前,风力机叶片的制造普遍采用纤维增强复合材料,其具有重量轻、比强度高、比刚度高、可设计性强等优点。如图1-1所示,风力机叶片受自然环境中低温、风沙和高海拔等因素的影响,其运动和受力情况异常复杂,对风力机叶片结构造成不同程度的破坏,直接影响整机性能,导致风力机组无法稳定运行,降低其综合经济性。因此,利用复合材料的各向异性特征,采用纤维曲线铺放的结构设计,已成为近年来的研究方向之一[3]。
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1.2 国内外相关研究现状
1.2.1 纤维曲线铺放基准路径规划方法
纤维曲线铺放基准路径作为芯模全域路径密化的参照,构建合理、高质量的基准路径是整个路径规划过程的首要环节。国内外学者进行了大量研究,对于可用解析式表达的复合材料结构,可通过函数构造纤维曲线铺放路径,其具有计算精度高、便于参数化设计等优点。此类方法的研究主要有:Gurdal等[8]提出了最早的线性变化纤维方向角描述方法,路径上的纤维方向角随坐标呈现线性变化。Honda等[5]通过二维三次函数等值线来描述纤维路径,能表示复杂的纤维曲线铺放路径。Blom等[9]根据纤维铺角与锥壳长度的变化关系,以测地线路径、定角度路径、线性变角度路径和定曲率路径四种不同的方法进行了路径规划。党旭丹[10]、曾伟[11]和张鹏[12]等利用测地线构造了纤维曲线铺放基准路径。
此外,Hyer等[13]基于有限元仿真结果,依据单元主应力方向构造纤维曲线铺放路径。M.W.Tosh等[14]为充分发挥纤维材料的性能,提出了主应力法,使铺放路径各点的切矢方向与主应力方向一致,提高了构件承载能力和结构强度。Konrad Gliesche[15]和A.Crosky等[16]给出了与主应力法相似的路径规划方法,均以复合材料开孔板为研究对象,通过载荷路径法和遗传算法规划纤维曲线铺放基准路径。
上述纤维曲线铺放基准路径的规划方法,存在自动化程度低、求解困难、未能充分利用纤维轴向力学特性的局限性。随着离散网格技术的广泛应用,对于不可解析的复杂曲面,可将其转化为网格曲面进行路径规划。Bruyneel等[17]提出了一种基于有限元的快速跟踪算法,计算各网格单元的局部纤维方向,继而在网格曲面上构建基准路径;但该方法仅适用于简单开边的网格曲面,并没有考虑路径与芯模表面贴合性的问题。Xu等[18]将芯模曲面展开为网格平面,极大地降低了路径规划的难度,但无法适应曲率变化大的复杂曲面。熊文磊、王小平和李俊斐等均以三角形网格曲面进行路径规划,通过调整初始路径的曲率修正曲线外形,获得纤维曲线铺放基准路径,该方法也适用于曲率变化较大的曲面路径规划问题[19-21]。
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第二章 四边形网格曲面初始路径规划方法
2.2 纤维铺放路径的表示方法
纤维曲线铺放变刚度层合板结构纤维铺角连续变化,非单一或工程上常用的(0°、±45°和90°)铺放角度,因此不能以特定角度描述纤维曲线铺放路径。目前,描述纤维曲线铺放路径的方法主要有两种:函数参数法和离散法。
2.2.1 函数参数法
函数参数法的基本思想是先假设曲线族函数,将函数参数作为设计变量,并以需要提升的力学性能为优化目标建立优化数学模型,求解最优曲线族参数,获得优化的纤维曲线铺放路径[43],如图2-1所示。
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2.3 四边形网格曲面初始路径关键节点搜索方法
依据单元离散纤维铺角确定路径微元线段的取向,采用“化曲为直”的策略,在满足细观纤维铺角的前提下,规划纤维曲线铺放路径,在四边形网格曲面上自动搜索初始路径关键节点。
2.3.1 单元网格基础理论和处理方法
在四边形网格曲面上搜索初始路径关键节点,坐标系的准确性和基准参照对精确搜索初始路径关键节点具有重要作用。因此,本文对有限元软件(ABAQUS)中S4R单元网格基础理论进行探究,并给出了四边形网格处理的方法:
(1)S4R单元和结点的编号原则
ABAQUS的INP文件中包含有芯模结构的全部信息,通过INP文件可获取芯模的单元和结点的全部信息,其中单元和结点编号由小到大排列,坐标以x、y、z的顺序排列,单元所对应结点编号按单元的逆时针方向排列。例如:Element,type=S4R“1,1,2,14,13”,表示1号单元对应4个节点,节点编号依次为:1-2-14-13,如图2-4所示。
(2)S4R单元局部坐标系oxyz
在有限元软件中单元局部坐标系的建立与单元的4个结点密切相关,单元局部坐标系x轴与y轴位于单元平面内,z轴方向与单元平面法向量平行。对于矩形单元,以该矩形四边形的中心点为原点,x轴与该单元底边平行,y轴与该单元的侧边平行,且满足右手定则,建立局部坐标系。对于非矩形单元,根据该网格的形状及相邻结点的位置,建立局部坐标系。
因此,为提高初始路径关键节点搜索,提供更精准的参照基准,确定统一的局部坐标系建立方式,对芯模的网格划分的质量有较高要求。
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第三章 纤维曲线铺放路径外形质量评价与优化 ................................ 21
3.1 引言 ....................................... 21
3.2 纤维曲线铺放路径外形质量评价机制 ........................................ 21
第四章 纤维曲线铺放路径密化方法 ....................................... 40
4.1 引言 ............................................. 40
4.2 波式纤维曲线铺放路径密化方法 ............................... 40
第五章 风力机叶片纤维曲线铺放路径规划 ........................................ 55
5.1 引言 ..................................... 55
5.2 风力机叶片结构与建模...................................... 55
第五章 风力机叶片纤维曲线铺放路径规划
5.2 风力机叶片结构与建模
5.2.1 风力机叶片结构简介
国内外主流的风力机叶片普遍采用“主梁-双腹板-蒙皮”的壳体结构,如图5-1所示。叶片主梁承受弯曲载荷和离心力载荷,主要由单向复合纤维或拉挤板铺设而成,并用腹板支撑,以提高主梁的刚度和强度。蒙皮采用“三明治”结构:外蒙皮-软夹芯材料-内蒙皮,其中内外蒙皮材料为玻璃纤维,软夹芯材料为Balsa木、PVC泡沫等[60],该结构可提高叶片的刚度、强度和稳定性,减轻叶片重量。
工程硕士论文参考
风力机叶片作为获取风能与能量转换的关键部件,其运动和受力的状况异常复杂,叶片良好的结构设计是保障其服役能力的关键,也是确保风电机组能否稳定运行的决定性因素,对提升叶片的可靠性和结构性能有重要意义。
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总结与展望
总结
本文对风力机叶片等纤维增强复合材料结构的纤维曲线铺放需求,依据微分几何原理、插值方法、点云技术和有限元思想,以细观纤维铺角分布方案为参照,从铺放路径的构建、评价与优化、密化与修正三个环节对纤维曲线铺放路径规划方法进行了深入研究,获得了具有制造性的纤维曲线铺放路径,为变刚度优化设计方法的工程实际应用提供方法和技术支撑,论文工作总结如下:
(1)研究了四边形网格曲面初始路径规划方法,包括两部分内容。首先,将曲面芯模转化为四边形网格曲面,基于ABAQUS中单元基础理论,对网格边线插值处理,扩大了搜索点的搜索空间,给出了新的搜索点坐标表示形式。提出了满足制造要求的节点搜索和终止原则,建立了初始路径关键节点搜索算法,依据细观纤维铺角分布搜索得到初始路径的关键节点。其次,利用三次NURBS曲线得到连续的初始路径,实现了由离散纤维铺角分布到连续路径的转化,获得全局路径密化的初始基准路径。
(2)研究了纤维曲线铺放路径外形质量评价机制与优化方法。从定性和定量两个维度给出了更具普适性和说服力的三大光顺准则:离散曲率变化均匀准则、离散挠率变化均匀准则和光顺度准则;提出了衡量铺放路径与芯模表面贴合性的贴合度准则,建立了以三大光顺准则和贴合度准则为核心的纤维曲线铺放路径外形质量评价机制。基于微分几何思想和插值方法,引入缺陷三角形几何优化模型,提出了基于离散曲率的多级优化点曲线光顺优化方法,以小变形修正策略提升路径光顺性,保证了路径铺角信息的完整性,并且该方法的光顺优化速率可调控;采用定向投影对偏离芯模表面的路径进行处理,获得了与芯模紧密贴合的铺放路径。
参考文献(略)