风力机叶片气动与结构耦合设计的动态博弈决策方法研究

The dynamic game decision method is creatively proposed on the basis of game theory to more effectively solve the problem of aerodynamic and structural coupling design of wind turbine blade. This method contains both dynamic master-slave game algorithm and dynamic evolution game algorithm, which are respectively applied to the coupling design of wind turbine blade with target preference and no preference. The method regards aerodynamic and structure targets as game players with competitive and cooperative behavior. The stable optimal blade design schemes are obtained through dynamically adjusting strategy subsets of game players in several rounds games. The method tries to reveal the coupling mechanism of the key blade parameters and explore the dynamic influence law of design variables to objective functions under different blade shapes .Besides, through studying on the influence law of different game models to objective functions, the method tries to reveal the association rules between blade shape features and the objective functions , and find the coordination mechanism of aerodynamic and structural performance. Optimal blade shape scheme and design suggestions with engineering application value are presented according to preference of the decision maker.

为更有效地解决风力机叶片气动与结构耦合设计问题，以博弈理论为基础，创新性地提出动态博弈决策方法。该方法包含动态主从博弈算法和动态演化博弈算法，分别应用于有目标偏好和无目标偏好的风力机叶片气动与结构耦合设计问题。方法将气动与结构目标视为具有竞争和合作行为的博弈方，各博弈方通过动态调整自身的策略子集，经多轮谈判与协调，得到稳定的叶片优化设计方案。方法试图通过动态博弈过程来揭示叶片气动与结构关键参数之间的耦合机理，并探究不同叶片体型下设计变量对目标函数的动态影响规律；通过研究不同博弈模式对各目标利益的影响规律，揭示叶片体型特征与目标函数之间的关联规律以及气动与结构性能的协调机制。并最终根据决策者的目标偏好情况，给出具有工程应用价值的最优叶片体型方案以及设计建议。

项目以博弈论为基础，考虑博弈方在对策过程中的竞争与合作行为，创新性地提出了动态博弈决策方法，它是一种求解多目标优化问题的启发式算法。动态博弈决策方法包含两个子算法，即：动态演化博弈算法和动态主从博弈算法，可分别应用于无目标偏好和有目标偏好的多目标优化设计中。动态博弈决策方法将风力机叶片气动与结构目标视为具有竞争和合作行为的博弈方，各博弈方通过动态调整自身的策略空间，经过多轮谈判与协调，得到最终的叶片设计方案。项目在具体的风力机叶片气动与结构耦合设计中，(A)自主构建了1.5MW风力机叶片模型，该模型包含三个子模块，分别是a）通过建立单位参考翼型截面，构建插补翼型截面，对所有翼型进行缩放、平移及旋转变换得到叶片气动几何模型；b）通过确定空心薄壁复合结构的基本尺寸以及前缘、后缘、主梁帽、剪切腹板的材料设置及布置形式，确立应力应变的相关计算，采用26个控制点对主梁帽中间区域的铺层进行模拟等系列步骤来建立叶片结构模型；c）通过选择恰当的有限元单元类型来模拟夹芯层和非夹芯层，并通过自主编制有限元参数化设计程序来建立叶片参数化有限元模型；并在以上三个模块的基础上构建了风力机叶片气动与结构多目标耦合设计模型与动态博弈模型之间的映射关系；(B)在博弈方策略空间的划分中，针对两种子模块算法，分别提出了阈值限定下的策略空间划分方法和模糊k平均聚类结合关联分析的划分方法；（C）应用动态演化博弈算法和动态主从博弈算法对风力机叶片进行气动与结构多目标耦合设计，两种子算法均可以得到比初始设计都要合理的叶片气动与结构参数，能够提供具有工程可行性的叶片设计方案。方法通过分析不同性能指标下的叶片气动与结构设计参数值，得到不同目标偏好下的叶片体型特征；通过不同博弈模式得到的不同的叶片设计参数及气动与结构性能，揭示了博弈方行为方式与博弈模式对博弈得益的影响规律；通过博弈进程揭示了各设计变量在策略空间中的动态调整性及相互协调性。