隨著風(fēng)電行業(yè)進(jìn)入平價(jià)時(shí)代，度電成本降低的最有效手段就是不斷擴(kuò)大風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量，由此也帶來風(fēng)電葉片長度的不斷增加。因此，平價(jià)時(shí)代機(jī)組大型化是風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢，開發(fā)“大型化、輕量化和低成本”葉片是推動(dòng)機(jī)組度電成本降低的最有效手段。
復(fù)合材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和可設(shè)計(jì)性被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和風(fēng)電葉片，為實(shí)現(xiàn)功率更大、長度更長、重量更輕和成本更低，復(fù)合材料成為風(fēng)電葉片唯一可選材料。作為決定葉片結(jié)構(gòu)和成本的增強(qiáng)纖維、夾芯材料、基體樹脂和結(jié)構(gòu)膠，其應(yīng)用和發(fā)展趨勢對葉片行業(yè)未來的發(fā)展至關(guān)重要，特別是高性價(jià)比材料的技術(shù)進(jìn)步?jīng)Q定了大葉片未來的發(fā)展方向。
碳纖維復(fù)合材料（CFRP）與傳統(tǒng)的金屬材料相比，具有重量輕，比剛性·比強(qiáng)度等優(yōu)異的特性，目前已經(jīng)在飛機(jī)等零部件中得到廣泛應(yīng)用。近年來，風(fēng)機(jī)大型化帶來的是葉輪直徑的大型化，隨著風(fēng)電葉片長度增加、葉輪直徑增大，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越來越高，葉片必須滿足剛 度要求以抵抗極端負(fù)荷；葉片具有優(yōu)異耐疲勞特性，在其整個(gè)使用壽命期間必須承受 疲勞載荷；葉片必須堅(jiān)硬，具有一定強(qiáng)度，以防止在極端載荷下與塔架碰撞；局部剛 度也必須足以防止極端載荷；葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能輕，以最大程度地降低發(fā)電成本。
在全玻纖情況下，隨著葉片長度增加，自重載荷占比線性上升，可用于發(fā)電的載荷相 應(yīng)下降。因此在大功率風(fēng)機(jī)應(yīng)用場景中，碳纖維替代具備的了必要性。
根據(jù)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的故障即事故的調(diào)查報(bào)告，在日本由于落雷造成的損失最多，占全體的25.8%。另外，與風(fēng)車的總停止時(shí)間相比，葉片的故障最長，為了提高風(fēng)車的利用率，因此，在以前的研究中，給試體設(shè)定了額定風(fēng)速12.5m/s（額定輸出功率10kW）、切出風(fēng)速25m/s、額定轉(zhuǎn)速200rpm，使用CFRP夾層葉片（以下稱為CFRP制葉片）對最大轉(zhuǎn)速為1000pm的小型風(fēng)車進(jìn)行了模擬雷擊實(shí)驗(yàn)、脈沖激振試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明，即使受到較大的60kA的雷擊，對振動(dòng)特性和力學(xué)特性也幾乎沒有影響。此外，進(jìn)行了FEM分析，得到了與各試驗(yàn)結(jié)果良好的一致性，顯示了分析模型的合理性。
在本項(xiàng)研究中，我們使用響應(yīng)曲面方法和遺傳算法的優(yōu)化方法，在最大轉(zhuǎn)速為1000pm的離心力和風(fēng)壓的規(guī)定載荷下，進(jìn)行了使CFRP制葉片重量最小化的最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2.1樣品
實(shí)驗(yàn)中使用的CFRP制葉片如圖1所示，采用平紋CF布（東邦Tenax®）和環(huán)氧樹脂，芯材使用聚氨酯，采用VaRTM成形的翼長2168mm、最大翼弦長483mm、葉片中央翼厚45mm的三明治結(jié)構(gòu)。CFRP層的纖維體積含有率為60%，表面層的層疊結(jié)構(gòu)因位置而異，
①的位置：[3K((±45）/(0/90)/(0/90)/12K((±45)/(0/90)/(0/90)/( ±45) )]，
②的位置：[3K((±45）/(0/90)/(0/90)/12K((±45)]，
③的位置：[3K((±45）/(0/90)/(0/90))]。
圖1 CFRP夾層風(fēng)力渦輪機(jī)葉片
2.2 優(yōu)化問題的公式化
CFRP制葉片的重量最小化問題如式（1）所示進(jìn)行了公式化。在本研究中，[3K((090）/（±45）/（±45）/（0/90）) ]的偽各向同性層疊為1組（0mm），從葉片的前端部到根部的5處CFRP的板厚分別為x1~x5（如圖2所示）。另外，CFRP制葉片的安全率與實(shí)驗(yàn)中使用的CFRP制葉片相同，容許應(yīng)力為243MPa。
2.3 有限元(FEM)分析
使用通用有限元法程序ANSYS Ver15.0進(jìn)行有限元分析。負(fù)荷參考JISC1400-2的負(fù)荷槽E，以本次CFRP制葉片的最大轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)值1000pm旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力施加負(fù)荷。并且，參考風(fēng)壓分布圖，在CFRP制葉片的一側(cè)表面加載風(fēng)速為50m/s的分布載荷。
使用8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體（SOLID185）作為元素，固定條件是完全約束了CFRP葉片安裝部的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)數(shù)為23848，元素?cái)?shù)為20781。
如表1所示用于分析的CFRP的材料常數(shù)，x軸和y軸表示面內(nèi)方向，z軸顯示面外方向，E表示楊氏模量，G表示剪切模量，v表示泊松比，F(xiàn)表示拉伸強(qiáng)度。另外，聚氨酯芯的材料常數(shù)使用目錄值，楊氏模量E為0.025GPa，泊松比為0.25。CFRP的破損法則使用最大應(yīng)力理論。
表1 CFRP的材料特性
2.4 響應(yīng)曲面法
響應(yīng)曲面法（Response Surface Method，RSM）是用于求對輸入的響應(yīng)的近似函數(shù)的方法，其各項(xiàng)系數(shù)由最小二乘法決定。對于設(shè)計(jì)變量（1~5）的輸入，本問題的響應(yīng)為CFRP的重量和產(chǎn)生應(yīng)力。
計(jì)算點(diǎn)為隨機(jī)選擇的1500點(diǎn)，近似函數(shù)以一般使用的2次多項(xiàng)式為基礎(chǔ)。為了提高近似精度，將CFRP制葉片分成4部分（Area A~D），在各個(gè)領(lǐng)域制作了5個(gè)變量2次多項(xiàng)式的近似函數(shù)。響應(yīng)曲面法產(chǎn)生的應(yīng)力、CFRP重量的近似值和FEM分析結(jié)果的誤差如表2所示，兩者的誤差均低于8.4%。
表2 RSM和FEM結(jié)果之間的誤差
2.5 遺傳算法
遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）是通過對生物進(jìn)化的機(jī)理進(jìn)行工程建模來進(jìn)行有效的最佳解的探索的方法。在本研究中，將群體的大小設(shè)為30，交叉率設(shè)為60%，突變概率設(shè)為7%。
2.6 最優(yōu)結(jié)果
CFRP相對于世代數(shù)的重量變化如圖3所示。隨著世代數(shù)的增加，重量減少，44代以后為一定值。CFRP制葉片的重量和x1~x5的最優(yōu)化結(jié)果圖表3所示。最優(yōu)化設(shè)計(jì)前的CFRP制葉片的重量為32.2N，而最佳值解為26.5N，削減了17.7%的重量。此外，有限元分析(FEM)的最大應(yīng)力為196MPa，結(jié)果滿足式（1）的制約條件。
表3 優(yōu)化結(jié)果
圖3 重量和世代數(shù)之間的關(guān)系
使用響應(yīng)曲面法和遺傳算法進(jìn)行CFRP制葉片的重量最小化的結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)中使用的CFRP制葉片的CFRP相比，可以減少17.7%的重量。
