大型风机叶片复合纤维结构铺层设计及铺放算法研究

成型设备、成型工艺和控制编程是大型风机叶片复合纤维铺放成型的三大支撑技术，结构铺层设计与铺放算法是实现自动铺放控制和数控编程的技术基础和依据，直接关系到铺放能否成功及成型后构件的性能优劣。针对该问题的研究，未见相关成果报道。本课题立足于内蒙古风机叶片的巨大市场需求，以"复合纤维铺放成型装备"研制中的关键工程设计问题为背景，在综合考虑铺放原则、铺放工艺等基础上，计算风机叶片的应力关系，设计不同铺层方案；运用FEA技术分析不同铺层参数对风机叶片性能的影响，确定最佳铺层方案；基于芯模模型，按主应力方向优化基本铺放方向，采用几何分析、固定角度法和插值原理，研究基本铺层角度铺放轨迹的实现机制和铺放算法；进行试样生产、试验验证和测试，修改设计结果。通过上述工作，形成基于CAE/CAM的大型风机叶片复合纤维结构铺层设计和铺放算法的理论成果和方法是本项目的特色和创新点，具有重要的应用前景和科学研究价值

风力机叶片是典型的非回转体复合纤维构件，其运动状况和受力情况异常复杂，铺层参数是决定叶片性能的关键因素。针对叶片铺层的非等厚度性、多向复合性和材料属性的各向异性，研究了性能等效算法、结构铺层分析和优化方法、铺放算法，以解决复杂、多变量的叶片结构性能最值优化问题，研究成果为叶片的铺层结构设计、分析与优化，以及铺放控制提供了准确、可行、有效的方法和技术支撑，具有理论和实际意义。. 在结构铺层分析方法方面，提出了适合叶片复合纤维建模的两种不同方法（按距离分块建模法和按玻璃纤维布位置分块建模法）和复合纤维层合板性能等效算法。从层合介质本构关系出发，根据单层板的弹性性能常数推导相应的刚度矩阵，通过转换矩阵求得不同铺层角度的子层材料在整体坐标系下的刚度矩阵；考虑到正交各向异性的力学性能，改进子层刚度法等效矩阵，根据子层刚度公式求得刚度系数；得到基于子层刚度法的性能等效算法。在能量法二维理论的基础上，根据RVE和均质等效体应力场与应变场在一定条件下相同的特点，利用变形能守恒理论，通过对不同形式变形能公式的转换，推导出层合板三维情况的性能等效刚度矩阵系数与RVE变形能的关系及等效矩阵的能量表达式；得出基于能量法的性能等效算法。通过数值算例和实例，验证了上述方法和算法的可行性、有效性和正确性。. 在铺层参数对叶片性能的影响分析方面，分析了铺层参数对叶片静态结构性能的影响，进行了应用验证，获得了宏观性的规律。. 在叶片铺层结构设计与优化方面，提出了两种叶片结构铺层优化方法，一是基于分级优化策略、融合有限元分析与结构优化的方法，二是有限元法与改进遗传算法相结合的方法。分别通过建立数学优化模型、设计改进遗传算法与优化流程，进行了铺层结构优化和应用，获得了优化的铺层参数取值范围和铺层方案，验证了优化方法的正确性、可行性和有效性。. 在基本铺层角度铺放轨迹的实现机制和算法方面，研究了空间曲线等铺放角法、等距线法和等分点密化法3种复合纤维成型构件自由曲面铺放算法，以及0°、90°、±45°的铺放路径求取技术，实现了上述4种代表性角度的铺放路径。. 课题组圆满完成了项目任务书的研究内容，达到了预期研究成果；发表学术论文7篇，其中EI收录5篇，录用1篇，培养硕士研究生9人。