铺放参数对复合纤维风力机叶片性能的耦合作用机理研究

This subject takes the effect of lay-up parameters to the composite wind turbine blade’s performance as the research object. Aimed at the challenge of the mechanism of the effect of lay-up parameters on blade performance, the prediction of blade performance, control, etc, through the theoretical analysis, simulation and calculation, test of sample piece performance, test analysis, the influence rule and the sensitivity of lay-up parameters on molding process and blade performance is grasped. Mapping relationship between lay-up parameters and characterization parameters of blade performance is established. The coupled mechanism of lay-up parameters to the molding process and blade performance is revealed. We optimize the lay-up parameters of the multi-target and multi-parameter coupling based on grey correlation analysis. Expect to get the basic theory and data in the selection and control of lay-up parameters which is based on blade performance requirements. This research can promote to cognize the mechanism of the influence of lay-up parameters on molding process and blade performance. Basic theory and method of composite lay-up molding product which has universal significance can be formed further. The problem that how to design and realize composite lay-up reaches the optimal performance of lay-up product is solved. This project has scientific research value and strong prospect of engineering application. The research result can lay necessary theoretical basis and technological support.

课题以铺放参数对风力机叶片性能影响为研究对象，针对成型过程中存在铺放参数对叶片性能影响机理、性能预测与控制等难题，通过理论分析、仿真计算、样件试验、测试分析等，掌握铺放参数对成型过程和叶片性能的影响规律和敏感度；建立铺放参数与叶片性能表征参数间的映射关系，揭示铺放参数对成型过程及叶片性能影响的耦合作用机理；通过对多目标多参数耦合作用的铺放参数进行优化，获得依据叶片性能选择和控制铺放参数的基础理论和数据，建立基于铺放参数优化方法的叶片性能预测和控制的原理和方法。项目研究可促进认知铺放参数对风力机叶片成型过程和性能影响的作用机理，以特定的研究对象开展工作，并进一步形成具有普遍意义的复合纤维铺放成型制品的基础理论与方法，以解决“如何设计和实现纤维铺层，使铺放制品性能达到最优”的问题，具有科学研究价值和强烈的工程应用前景。研究成果可为风机叶片设计与制造、铺放控制的研究奠定必要的理论基础和技术支撑。

复合纤维风力机叶片为一多参数、多目标的复杂成型过程，其性能随铺层参数的不同而不同，且铺层参数之间存在耦合作用。针对铺层参数对叶片性能的耦合作用机理、性能预测与控制、多目标优化等难题，采用试验设计法、响应曲面法和多项式回归分析法，构建了铺层参数与叶片性能表征参数间的一阶和二阶数学模型；分别计算拟合了它们的关系曲线和关系曲面，分析了铺层参数对叶片性能的耦合作用机理，得出了铺层参数对叶片性能影响的宏观性规律，确定了对叶片性能影响程度大小的参数次序和耦合影响显著、不显著的参数。提出了融合多参数相对敏感度分析和单参数区间敏感度分析的叶片铺层参数敏感度分析方法和一种划分敏感参数稳定域的方法。拟合累积频率曲线图，识别出敏感和不敏感参数，确定了对叶片性能敏感程度大小的铺层参数次序；拟合单参数取值范围内叶片性能的变化曲线，根据二分法划分参数取值区间，确定各参数的初始稳定和非稳定区间；依据稳定域划分方法，确定了敏感铺层参数的稳定域取值范围和叶片综合性能优化的铺层参数。提出了利用材料性能参数，建立离散变量与刚度等效模型间数学关系的离散变量量化方法，实现了铺层顺序的量化。提出了采用层次分析法建立优化数学模型和基于Monte-Carlo迭代策略模拟退火求解算法的多目标优化方法。根据层次分析法，将叶片多目标优化中的各元素及其相互关系层次化，建立多层次结构；利用极差法计算并确定各目标权重，将各单目标函数加权求和转化为多目标优化数学模型；编写算法程序，求解得到叶片综合性能优化的Tsai-wu失效因子、最大位移和铺层参数取值组合。以某代表性的1.5MW风力机叶片为对象，应用验证了上述方法和研究内容可行性、有效性和正确性。项目研究对解决多参数多目标的复杂工程问题、依据叶片性能要求选择和控制铺层参数以及叶片的铺层结构设计优化、生产制造和性能控制提供了必要的理论基础、方法和技术支持，具有重要的理论意义和工程价值。